激光加热过程中动态热冲击热变形耦合计算地研究.pdfVIP

高能柬及其他特种加工 激光加热过程中动态热冲击热变形耦合计算 的研究 余宁潘健生胡明娟顾剑锋张伟民 (上海交通大学材料科学与工程学院) 摘要：基于热弹塑性力学理论，建立了激光加热过程中动态冲击三堆应力应变和温 度场的耦合计算模型。考虑激光加热过程中物理性能参数随温度而变化的非线形行为特征， 经计算发现动态热冲击产生的热应力很大，形成应力峰，对金属材料会超过屈服点而产生更 大的塑·挫变形，对研究激光加工、热处理、熔覆等加热过程中热变形规律具有重要的指导作 用，对高密度能量加工工艺的热变形也有一定的指导意义。 关键词：激光加热热冲击数值模拟 2．2材料热物性参数的非线性特征 1前言 材料的热物性参数包括：密度、比热、导 激光被广泛应用于硬化、表面处理、变形、 热系数、热扩散率、热膨胀系数等，这些热物性 切割等生产工艺中【l，2】。由于激光能量密度高， 参数与温度有联系。密度随温度的变化由体膨胀 加热迅速，加热过程中的温度场、应力场变化难 系数决定，根据文献【6]查到，膨胀系数一般在 于测量，因此采用数值模拟的方法是研究激光加 10。5／oC，体积变化约为1％，引起的密度变化也 热过程的一个重要途径[3，4】。 在1％．因此常将材料密度均视为常量。一般情 况下，比热都是随温度升高而增加，在低温时增 2模型的建立 加较快，高温时增加较慢。导热系数受材料成分、 2．1动态热冲击理论 结构变化影响，一般随温度升高而降低。因此激 在对激光加热的温度、应力早期研究中， 光加热过程是强烈的关于温度的非线形问题。 是以温度随时问变化缓慢的情况作为研究对象， 2．3弹塑性力学行为 一直把它当作准静态问题来处理。但激光加热时 弹塑性力学是弹性力学和塑性力学的结 间很短，升温和降温速度很快，应属于瞬态问题。 合，弹性力学以虎克定律为本构方程．应力应变 描述瞬态加热过程的平衡方程为： 之间满足线形关系。塑性理论则包括三个部分： 监+盟+堕+x：p垫 屈服准则、强化定律和塑性应变与应力关系。 缸 西 如 ’a2 对于金属材料确定采用Von-Mises屈服准 则，即某一点的Von．Mises等效应力达到屈服强 鲁+鲁+≥一p等咖 卯 ∞ 讲一 度发生塑性变形孑≥吒。强化定律则采用等向 硬化，塑性变形增加仍保持相似形状。描述塑性 (1) 丝+堕+堕+Z_p婆即： 瓠 卸 赴 。氆i 与准静态问题相比，上式增加了位移对时 如j=dASo(d2≥0) (2) 间的二阶导数，即惯性项。由此产生的热应力以 式中d：一——塑性应变增量偏张量 冲击的形式作用物体内各质点，表现出很强的动 品——应力偏张量 力学效应，即热冲击【5】。热冲击在物体中产生 弹塑性的总应变张量包含弹性应变增量和塑 的数值根高，并咀一定速度运动的峰值应力。 特种加工技术 性应变增量两部分， 热