基于Ansys軟件分析環(huán)狀激光束作用物質(zhì)的熱畸變特性

付福興, 暢庚榕

(西安文理學(xué)院 a.機械與材料工程學(xué)院; b.陜西省表面工程與再制造重點實驗室,西安　710065)

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基于Ansys軟件分析環(huán)狀激光束作用物質(zhì)的熱畸變特性

付福興, 暢庚榕

(西安文理學(xué)院a.機械與材料工程學(xué)院;b.陜西省表面工程與再制造重點實驗室,西安710065)

運用Ansys有限元分析軟件模擬了環(huán)狀激光束輻照ZnS、TiO2及Si等材料表面而形成的溫度場及應(yīng)力場分布，并分別研究了同一熱源對不同材料及不同熱源對同一材料的作用效果.研究結(jié)果表明，當同一熱源作用在不同材料上時，產(chǎn)生的溫度場變化較大，而應(yīng)力場的變化不大，只是形變的整體幅值產(chǎn)生變化；當不同熱源作用在同一材料上時，溫度曲線的梯度變化較大，而對應(yīng)力形變的影響較小.

有限元法；Ansys軟件；環(huán)狀光束；應(yīng)力形變

高能激光作用在物質(zhì)表面上時，其一部分能量會被物質(zhì)所吸收而產(chǎn)生熱效應(yīng)，該熱效應(yīng)會在物質(zhì)的內(nèi)部及表面產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致物質(zhì)的表面發(fā)生形變.隨著激光在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，激光的熱效應(yīng)所帶來的不利影響日益凸顯.比如，在高能激光器的內(nèi)部，腔鏡反射過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易引起腔鏡的熱畸變，造成激光器輸出光束的質(zhì)量顯著下降,甚至?xí)骨荤R本身受損，導(dǎo)致激光系統(tǒng)無法正常工作[1-2]；在激光熔覆技術(shù)中，激光作用物質(zhì)時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使熔覆層的內(nèi)部及表面產(chǎn)生裂紋，大大降低了激光熔覆產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命[3-4].因此，激光作用物質(zhì)時產(chǎn)生的熱畸變成為了一個重要的研究方向，若通過實驗來獲得材料的畸變特性，則需要大量的實驗數(shù)據(jù)，這個過程周期長且成本高；而另一種實現(xiàn)的途徑是運用Ansys有限元軟件模擬實驗過程，同樣也能得到材料表面的形變特性，該方法科學(xué)可行且易于實施.

目前，很多研究者將Ansys軟件應(yīng)用于激光技術(shù)的研究中，彭玉峰等人[5]通過Ansys軟件分析了強激光反射鏡的熱畸變特性；張彬等人[6]運用Ansys軟件模擬了自適應(yīng)系統(tǒng)中光學(xué)變形鏡的熱畸變，并分析了變形鏡的熱變形對光束質(zhì)量的影響；李剛[7]、張冬明[8]也將Ansys軟件應(yīng)用到激光熔覆技術(shù)的研究中.但是，大多數(shù)的研究都側(cè)重于分析材料的多樣性，但忽略了激光光源的光斑形狀對熱畸變的影響.因此，本文以高功率激光中常見的環(huán)狀光束作為熱源，通過Ansys軟件模擬環(huán)狀激光束輻照ZnS、TiO2及Si等材料表面而形成的溫度場及應(yīng)力場分布，重點分析不同熱源對同一材料的作用效果.

1　環(huán)狀激光束的熱輻射模型

在柱坐標系下，環(huán)狀激光束的光場分布可表示為[9]：

(1)

式中，L和M(L,K=0,1,2,…)為環(huán)狀光束的階數(shù)，且LM；w0為偏心高斯光束的束寬；φ0(x,y)為激光器輸出光束的初始相位.則環(huán)狀激光束的光強分布可表示為：

I=U×U*

(2)

假定w0=0.08 m，L=3，M=5，φ0(x,y)=0，且激光器輸出功率P=500 W，則環(huán)狀光束的光強分布如圖1所示.

當環(huán)狀激光束作用在物質(zhì)上時，其一部分能量被反射，另一部分則被材料的表層所吸收.材料表面的熱流密度q與其能量吸收系數(shù)γ的關(guān)系為：

q(x,y,t)=γI(x,y,t)

(3)

由公式(1)-(3)可以得到材料表面的熱流密度q.

圖1　環(huán)狀光束的光強分布

圖2　有限元分析模型

2　有限元分析模型的建立

本文運用Ansys軟件分析環(huán)狀激光束對物質(zhì)作用的溫度場和應(yīng)力場，熱分析中選取的單元類型為Solid279.圖2為本文采用的有限元計算模型，其尺寸為200 mm×200 mm×50 mm，網(wǎng)格劃分的最小單元尺寸為5 mm。

3　同一熱源對不同材料的作用效果

當同一熱源輻照不同材料的表面時，由于各材料的比熱容、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、彈性模量及泊松比等參數(shù)存在差異，導(dǎo)致其熱效應(yīng)的效果不同，即材料表面形成的溫度場分布和應(yīng)力場分布不同.選取L=3、M=5的環(huán)狀光束作為熱源，以ZnS、TiO2作為被輻射的靶材料，該兩種材料的物理參數(shù)如表1所示.

通過Ansys軟件模擬，ZnS、TiO2材料表面的溫度場分布及應(yīng)力場分布如圖3～圖6所示：(a)云圖分布；(b)曲線分布.

表1　ZnS、TiO2材料的物理參數(shù)

由圖3～圖4可知，同一熱源分別作用在ZnS與TiO2材料表面時，其溫度曲線的中心都有一個凹陷，這是由于激光束的光斑是環(huán)狀的，其中心能量較弱；另外，ZnS與TiO2溫度曲線的梯度分布也不同，這是由于兩種材料的比熱容、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、彈性模量及泊松比存在差異.由圖5～圖6可知，兩種材料表面形變的幅值不同，TiO2表面形變相對均勻.

4　不同熱源對同一材料的作用效果

選取硅為環(huán)狀光束輻射的靶材料，硅材料的物理參數(shù)如表2所示.

圖3　ZnS材料表面的溫度場云圖及曲線分布

圖4　TiO2材料表面的溫度場云圖及曲線分布

圖5　ZnS材料表面的應(yīng)變云圖及曲線分布

圖6　TiO2材料表面的應(yīng)變云圖及曲線分布

密度/(kg·m-3)泊松比熱導(dǎo)率/[W·(m·K)-1]比熱容/[J·(kg·K)-1]彈性模量/GPa膨脹系數(shù)/K-1吸收系數(shù)/cm21200.2081.7600695.5e-70.01

當L與M分別取不同的值時，環(huán)狀光束輻照硅材料表面的溫度場和應(yīng)力場分布分別如圖7～圖10所示.

圖7　L=2，M=3時溫度分布及溫度分布曲線圖

圖8　L=4，M=5時溫度分布及溫度分布曲線圖

圖9　L=2，M=3應(yīng)變分布曲線

圖10　L=4，M=5應(yīng)變分布曲線

由圖7可知，硅材料表面溫度曲線中間的凹陷較小，這是由于L=2、M=3所對應(yīng)的環(huán)狀激光束光斑的內(nèi)徑很小，即光斑中心的弱光強區(qū)域較小，從而導(dǎo)致溫度曲線中間區(qū)域的溫度梯度變化不大；當L與M逐漸增大時，由圖8可知，溫度曲線中間的凹陷越來越大，溫度梯度變化也越來越大.由圖9、圖10可知，硅材料表面因受到激光輻射而產(chǎn)生應(yīng)力形變，隨著L與M的逐漸增大，形變曲線的幅值逐漸增大，但形變曲線的變化規(guī)律一致.結(jié)論表明，L與M的取值變化對溫度場的分布影響較大，而對材料表面形變的影響較小.

5　結(jié)語

本文通Ansys有限元分析軟件模擬了環(huán)狀激光束輻照ZnS、TiO2及Si等材料表面而形成的溫度場及應(yīng)力場分布，并研究了同一熱源對不同材料的作用效果及不同熱源對同一材料的作用效果.研究結(jié)果表明：

(1)當同一環(huán)狀激光束分別作用在相同尺寸的ZnS和TiO2材料上時，材料表面形成溫度云圖和溫度曲線差異較大，這是由材料的比熱容、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、彈性模量及泊松比等參數(shù)的數(shù)值所決定的；另外，材料表面因受熱而產(chǎn)生的形變曲線差異不大，但形變的幅值有所差別.

(2)當材料不變，改變環(huán)狀激光束的L與M參數(shù)值時，環(huán)狀光束的光強分布發(fā)生了變化，導(dǎo)致材料表面的溫度云圖和溫度曲線變化非常明顯，說明激光熱源的光斑形貌對溫度場的影響較大.

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[責任編輯王新奇]

Analysis of the Thermal Distortion Characteristics of Material Affectedby Annular Laser Beam Based on Ansys Software

FU Fu-xing, CHANG Geng-rong

(a. School of Mechanical and Material Engineering; b. The Key Laboratory of Surface Engineering andRemanufacturinginShaanxiProvince,Xi’anUniversity,Xi’an710065,China)

Inthispaper,thedistributionofthetemperaturefieldandthestressfieldformedinthesurfaceofZnS,TiO2andSiandothermaterialsirradiatedbyringlaserbeamweresimulatedbyusingofthefiniteelementanalysissoftwareofAnsys,andtheeffectsofdifferentmaterialsanddifferentheatsourcesonthesamematerialswerestudiedrespectively.Theresearchresultsshowthatwhenthesameheatsourceisactingondifferentmaterials,thetemperaturefieldchangesgreatly,andthestressfieldchangeslittle,onlytheoverallamplitudeofthedeformationchanges.Whenthedifferentheatsourcesareactingonthesamematerial,thegradientofthetemperaturecurvechangesgreatly,andtheeffectofthestressdeformationissmall.

finiteelementmethod;Ansyssoftware;annularbeams;deformationunderstress

1008-5564(2016)02-0066-05

2015-11-18

陜西省西安市科技計劃創(chuàng)新基金“文理專項”(CXY1352WL02)資助課題

付福興(1979—)，男，湖北黃石人，西安文理學(xué)院機械與材料工程學(xué)院、陜西省表面工程與再制造重點實驗室講師，博士，主要從事高功率激光技術(shù)應(yīng)用研究.

O432.1+2

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