基于ANSYS生死单元法的长脉冲激光金属打孔仿真_臧彦楠
金属板裂纹缺陷的有限元仿真研究
金属板裂纹缺陷的有限元仿真研究田晓;郝玉强;马妍;李亚男;周倩倩;梁妍【摘要】对具有相同大小人工缺陷的铝合金板、铜板、不锈钢板,在不同频率的条件下进行了有限元程序ansys仿真分析,通过对仿真结果的电磁场磁力线分布的分析,得出线圈的电流实部与电流虚部,进而得出对应的阻抗图.模拟结果为电阻率、频率会导致线圈阻抗变化,此结论对实际测试工作有一定的指导作用.%In this paper,the ansys simulation analysis on aluminum alloy plate,copper plate,and stainless steel plate under the different frequencies with the same artificial defects were carried out.Through the analysis of the magnetic field lines in the electromagnetic field distribution,the test gives the real and the imaginary part of the current,and the corresponding impedance map is obtained.The simulation result points out that the impedance of the coil is changed due to the resistivity,frequency and defects.The conclusion is valuable for practical testing.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】7页(P133-139)【关键词】涡流检测;ansys仿真技术;缺陷;激励频率【作者】田晓;郝玉强;马妍;李亚男;周倩倩;梁妍【作者单位】河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】TB332金属板材制作的各种零件如罐体、壳体、机翼等在实际使用过程中难免会发生各种划伤出现裂缝，影响其表面质量，进而可能会出现疲劳损伤甚至断裂现象，为了安全起见要及时发现其裂纹等缺陷．在实际测量过程中要对这些金属板材的涡流检测规律加以了解，需要耗费大量的时间和资源进行实验．针对上述问题，使用有限元仿真软件根据实际参数建立检测模型，通过有限元程序ansys仿真软件进行仿真，获得相关检测条件以及检测传感器的相关数据，有利于提高实际检测工作的效率、降低检测成本．本文利用有限元软件对实验试件(含有深2 mm、宽为1 mm缺陷的铝合金板、铜板、不锈钢板)进行仿真研究，获得如磁力线图(包括实部与虚部部分)、涡流密度图、线圈阻抗图等信息，得出频率、电导率对线圈阻抗的影响，为实际检测工作中对缺陷测试的工作条件提供参考依据．1 电磁检测原理及金属板材涡流仿真频率的确定涡流检测是利用材料在电磁场的作用下，呈现出的电磁特性变化来判断被检查的材料组织及有关性能的一类实验方法．其原理是将通有交流电的线圈放置于待测的金属板上、外穿待测的金属管、或内穿穿待测的金属管时，线圈内及其附近产生交变磁场，使得试件中能产生旋涡状的感应交变电流，称之为涡流．涡流的大小和分布，除了与线圈的形状、尺寸、交流电流的大小和频率等有关系外，还取决于试件的磁导率、电导率、形状和尺寸、试件与线圈的距离以及表面是否有裂纹缺陷等．因此，在保持其他影响因素相对不变的条件下，利用探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可得知试件中涡流的大小和相位变化，进而可获得有关电导率、材质状况、其他物理量(如尺寸、形状等)的变化或检测是否有缺陷的存在．由电磁理论可知，在半无限平面导体中，涡流密度在导体表面随着深度的加深，呈现负指数衰减．当涡流密度衰减到导体表面涡流密度的36.8%时的深度，称这个深度为涡流渗透深度．渗透深度可由下列2个公式表示：(1)式中，ρ为电阻率，f为频率，μr为相对磁导率，δ为渗透深度．(2)式中，f为频率，σ为电导率，μ为磁导率，δ为渗透深度.根据缺陷深度利用式(2) 可以确定测试频率．通过计算和实际操作结合确定能出现测试图像的结果，确定对铜板、铝合金板以及不锈钢板采用测试频率为5、6、7 kHz．由于ansys软件具有处理电磁场问题的功能，利用此项功能将带缺陷金属板在激励电压作用下的电涡流进行仿真，获得在不同频率激励电压的情况下的涡流密度图以及阻抗幅值和相位图，通过分析获得一定的规律，可为检测工作提供参考并可节省费用.2 仿真模型的建立2.1 有限元模型及参数为了减少过多的数据处理，本文采用ansys二维谐波磁场分析计算，研究带缺陷金属板材磁场、线圈实验频率对阻抗图的影响．分析所用参数如表1、表2所示．表1 仿真材料的电阻率Tab.1 Resistivity of the simulated material材料电阻率/(10-8Ω·m)线圈3铝合金板0．58铜板1．673不锈钢板70表2 线圈特性及负载Tab.2 Coil characteristics and load线圈N/匝线圈宽度/(10-3mm)线圈高度/(10-3mm)载荷/V4003512cost2.2 ansys有限元模型根据试样大小和线圈相关参数建立ansys有限元模型如图1所示．人工缺陷尺寸为深1 mm、宽2 mm的槽．仿真过程中对应的网格图如图2所示．图1中A5图形范围表示带缺陷金属，A2表示线圈，A1表示空气．图1 有限元电磁场分析模型Fig.1 Finite element electromagnetic field analysis model图2 分析对应的网格Fig.2 Analyze the corresponding grid graph2.3 电流、线圈阻抗、磁感应强度实部与虚部的获得方法此仿真采用耦合场载荷．耦合场载荷是以一种分析得出的结果来作为另一种分析的载荷．在磁场分析中将结构分析中的力载荷当作磁场分析中的磁力载荷，经过仿真获得耦合线圈的电流自由度，施加磁力线平行边界条件，然后分别对金属板施加力载荷、对线圈施加电压降载荷，通过求解和后处理得到仿真结果．后处理过程中，用以下办法得到线圈阻抗的实部与虚部、磁力线的分布、涡流密度分布．2.3.1 探头线圈电流实部与虚部的获得通过ansys分析得到线圈电流的实部ireal(ansys软件中用curreal表示)、虚部iimag(ansys软件中用curimag表示)．2.3.2 线圈阻抗实部与虚部的获得通过以下公式得到线圈阻抗的实、部虚部，在aysys中可直接获得．Z=Zreal+jZimag,Zreal=V*sqrt(2)*ireal/i,Zimag=V*sqrt(2)*iimag/i,ansys软件中阻抗实部和虚部分别用ZREAL和ZIMAG表示．2.3.3 磁感应强度实部与虚部的获得通过ansys分析得到所求的所对应的磁感应强度的实部BSUMreal(ansys软件中用BSUM1表示)和虚部BSUMimag(ansys软件中用BSUM2表示)．然后通过读取结果数据获得电流和磁感应强度的实部与虚部、线圈阻抗的实部和虚部、涡流密度等．3 仿真结果试件缺陷大小为2 mm、激励频率5、6、7 kHz的情况下，查看这些参数变化对磁场磁力线的分布以及涡流分布，得出相对应点的磁感应强度，比较各个仿真中的磁感应强度，从而得出的磁场磁力线分布、涡流图分布以及阻抗图．图3是带缺陷铜板5 kHz的ansys仿真图像，其他材料和频率的仿真图像类似．a.磁场实部分布；b.磁场虚部分布；c.涡流密度分布.图3 在频率5 kHz条件下铜板的ansys仿真Fig.3 ANSYS simulation of copper plate at 5 kHz frequency在5 kHz仿真分析获得的阻抗测试结果如表3所示．表3 5 kHz频率下的测试结果Tab.3 Test results at 5 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．487746349．6547747610．496236865．1029891铜1．6734．454282879．5042280510．64680965．3383184不锈钢704．157015110．480899611．275195468．4000276根据仿真参数可得到图4线圈阻抗．a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图4 在 5 kHz条件下的线圈阻抗幅值和相位Fig.4 Coil impedance correlation diagram at 5 kHz frequency由图4可知，对于含有深度为2 mm缺陷的不同材料的试件，在相同激励频率(5 kHz)的作用下线圈的阻抗幅值随电阻率的增加而增加，相位随电阻率的增加也增加．在6 kHz频率获得的测试结果如表4所示，根据仿真参数可得到图5．对于含有深度为2 mm缺陷的不同材料的试件，在相同激励频率(6 kHz)的作用下线圈的阻抗变化如图5所示，阻抗的幅值和相位随电阻率的增加而增加．表4 6 kHz频率下的测试结果Tab.4 Test results at 6 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．5668607711．341067312．208436768．3068624铜1．6734．5195264311．512710812．38542468．3974429不锈钢704．2111497912．565527113．252405671．5084404a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图5 在6 kHz线圈阻抗幅值和相位Fig.5 Coil impedance correlation diagramat 6 kHz frequency在7 kHz频率获得的测试结果如表5所示．根据仿真参数可得到图6所示结果．在7 kHz的检测频率下，检测线圈检测铜板、铝合金和不锈钢板的阻抗幅值、相位与在5、6 kHz检测频率下的测试结果类似．表5 7 kHz频率下的测试结果Tab.5 Test results at 7 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．6408504414．362332214．893460372．1259398铜1．6734．5802316914．171684415．093511272．129546不锈钢704．2728888915．644686216．217699874．7617991a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图6 在7 kHz 条件下的线圈阻抗幅值和相位Fig.6 Coil impedance correlation diagramat 7 kHz frequency3.4 同种材料在不同频率下的仿真结果比较将3种带有人工缺陷金属板在5、6、7 kHz测试频率下仿真获得的线圈阻抗及阻抗的实部与虚部分别列于表6、表7、表8，以便于分析频率以及材料种类(电阻率)的对检测线圈阻抗的影响结果.表6 带缺陷铝合金板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.6 Test results with defective aluminum alloy plateat 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．487746349．6547747610．64680965．1 02989164．5668607711．512710812．38542468．397442974．64085044 14．362332215．093511272．129546表7 带缺陷铜板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.7 Test results with defective copper plate at 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．454282879．5042280510．496236865．338318464．5195264311．341067312．208436768．306862474．580231 6914．171684414．893460372．1259398表8 带缺陷不锈钢板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.8 Test results with defective a stainless steel plateat 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．157015110．480899611．275195468．4 00027664．2111497912．565527113．252405671．508440474．2728888915．644686216．217699874．7617991由表6、7、8可看出，同种材料在5、6、7 kHz 3种频率下的仿真结果都是随着频率的增加线圈阻抗的幅值和相位均增加．同一频率测试不同材料的阻抗从小到大减少的排列顺序为铝合金板<铜板<不锈钢板.4 结论通过采用有限元程序ansys软件对带有槽形缺陷的铜板、铝板以及不锈钢板进行的电磁涡流仿真，得知在某一范围内的相同激励频率下线圈感受的幅值和相位是不同的，而且随电阻率的增加而增加，同种材料的线圈阻抗值随频率的增加而增加.这一结论为实际测量工作提供了相关的参考数据，使检测工作少走弯路，起到一定的指导作用．参考文献：[1] 李来平，彭明峰，周建平，等.铝合金熔焊缝表面缺陷阵列涡流检测的仿真和试验[J].无损检测，2017，39(3)：51-54.LI L P，PENG M F，ZHOU J P，et al．Simulation and experiment of eddy array current testing of aluminum alloy fusion welding surfacedefect[J].Nondestructive Testing，2017,39(3): 51-54.DOI:10.11973/wsjc201703013.[2] 王志春，张楼成，袁小健.基于ANSYS电涡流测厚线圈的优化设计[J].仪表技术与传感器，2017(4)：49-53.WANG Z C,ZHANG L C,YUAN X J.Optimal design of eddy current Thickness coil Based on ANSYS[J].Instrument Technique and Sensor，2017(4):49-53.[3] 厚康，周海婷，王清，等.基于有限元仿真的薄板焊缝缺陷涡流检测[J]．信号分析仪表技术与传感器，2017，37(4)：99-102.HOU K,ZHOU H T,WANG Q,et al.Analysis of eddy current testing signal ofsheet metal weld defects based on finite element simulation[J].Instrument Technique and Sensor，2017,37(4):99-102.[4] 吴德会，黄松岭，赵伟，等.管道裂纹远场涡流检测的三维仿真研究[J].系统仿真学报，2009，21(20)：6626-6629.WU D H,HUANG S L,ZHAO W,et al.Research on 3-D simulation of remote field eddy current detection[J].Journal of System Simulation,2009,21(20): 6626-6629.DOI:10.16182/ki.joss.2009.20.011.[5] 杨理践，郭晓婷，高松巍.管道内表面缺陷的涡流检测方法[J].仪表技术与传感器，2014(10)：78-81.YANG L J,GUO X T,GAO S W.Method of the eddy current testing to pipeline Inner surface defects[J].Instrument Technique and Sensor,2014(10): 78-81.[6] 王悦，王壮壮，吴涛，等.金属板材厚度涡流检测仿真与实验[J].实验室研究与探索，2016，35(4)：87-89.WANG Y,WANG Z Z,WU T,et al.Simulations and experiments on thickness measurement of metal plates using eddy current method[J].Research and Exploration in Laboratory,2016,35(4): 87-89.[7] 王燕礼，朱有利，白爬，等.管道涡流信号的有限元仿真研究[J].计算机仿真，2013,30(5)：425-428.WANG Y L,ZHU Y L,BAI P,et al.Finite element method simulation researchon[J].Computer Simulation,2013,30(5)：425-428.[8] 陈军，蔡桂喜，林莉，等.基于ANSYS仿真分析的管材涡流检测频率优化研究[J].失效分析与预防，2014， 9(5)：257-261.CHEN J,CAI G X,LIN L,et al.Eddy Current testing frequency optimization ofsteel tube based on ANSYS simulation[J].Failure Analysis and Prevention,2014,9(5): 257-261.[9] 付跃文，喻星星.油套管腐蚀脉冲涡流检测中探头类型的影响[J].仪器仪表学报，2014，35(1)：208-217.DOI:10.19650/ki.cjsi.2014.01.029.FU Y W,YU X X.Effect of probe type on corrosion inspection of tubing and casing stringy with pulsed eddy current[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2014,35(1):208-217.DOI:10.19650/ki.cjsi.2014.01.029. [10] 杨盼盼，曹丙花，范孟豹，等.脉冲涡流厚度检测仿真与实验研究[J].传感技术学报，2016，29(6):821-825.YANG P P,CAO B H,FAN M B,et al.Simulation and experimental investigation of thickness measurement using pulsed eddy current technique[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2016,29(6)：821-825.[11] 党娜，王维斌，张涛，等.管道腐蚀脉冲涡流检测的三维仿真与试验[J].无损检测2017,39(2)：57-60.DANE N,WNG W B,ZHANG T,et al.3D simulation and experiment of pulsed eddy current testing for pipeline corrosion[J].NondestructiveTesting,2017,39(2): 57-60.DOI:10.11973/wsjc201702014.。
基于ANSYS和MATLAB智能算法的电石热物性参数反演_王彦龙
基于ANSYS和MATLAB智能算法的电石热物性参数反演王彦龙①屈福政（大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024）摘要电石是一种重要的化工基础原料，其冷凝、降温过程对电石出炉系统设计和生产流程控制有着重要影响，因此研究电石的冷却过程有着重要的意义。
由于无法通过实验手段测量电石内部温度，需要通过软件仿真获得电石冷却过程中的温度场分布。
而目前国内在材料热物性参数方面的数据和研究较少，缺少电石导热系数值。
基于ANSYS热仿真和MATLAB智能算法，利用神经网络和遗传算法进行参数反演，得到了电石的热传导系数随温度变化的值。
结果表明这种方法有效可行，对电石出炉系统设计和生产流程控制起到了重要的指导作用，并为研究物质的热物性参数提供了一种新思路。
关键词电石ANSYS热仿真MATLAB智能算法神经网络遗传算法参数反演中图分类号TP18文献标识码Adoi：10．3969/j．issn．1001－1269．2014．02．006Thermal Parameter Inversion of Calcium Carbide Basedon ANSYS and MATLAB Intelligent AlgorithmWang Yanlong Qu Fuzheng（School of Mechanical＆Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024）ABSTＲACT Calcium carbide is a kind of important fundamental raw material in chemical industry，its con-densation and cooling process has important influence on the design of Calcium Carbide tapping system and control of production process．For it is impossible to measure its inner temperature by experimental means，need to simulate its temperature field in the cooling process with software．However，research and data on thermophysical property of ma-terial is rare in domestic，and the coefficient of heat tronsmission simulation is lack of data．This article is based on ANSYS thermal analysis and MATLAB intelligent algorithm，and get the thermal conductivity of Calcium Carbide which varies with the temperature through parameter inversion with neural network and genetic algorithm．TheＲesult shows that this method is effective and feasible，it provides important guidance in the design of Calcium Carbide tap-ping system and process control，and offers a new method to research on thermophysical parameter of materials．KEYWOＲDS Calcium carbide ANSYS thermal analysis MATLAB intelligent algorithm Neural network Genetic algorithm Parameter inversion1引言电石是一种重要的化工基础原料，广泛应用于生产乙炔、有机合成、氧炔焊接和钢铁脱硫等领域，在国民经济发展中具有不可替代的作用。
基于ANSYS下的三维激光切割钣金件夹具支撑位置的优化设计
口重庆大 学城市建设与环境工程学院
郭隽菡
一
、
引 言
二 、 “ ２ ” 定 位 原 理 Ｎ一 —１
“ ～ １ 定 位 原 理 与 广 泛 用 于 刚性 件 的 “ — 一 ”定 位 Ｎ２ ” ３ ２ｌ
自２ 世 纪 ６ 年 代 初 激 光 问世 以 来 ， １ ６ 年 就 有 人 将 其 用 １ ０ ９９
于汽车工业 ，而随着激光器及外围系统技术的不断进步 ，激光 原理相 比，更适 用于 易变形薄板类零件 的定位 。对于柔性件 夹
的 使 用 范 围也 在 不 断地 扩展 。激 光 切 割 以 其 切 割 范 围 广 、 速 度 具 的 设 计 ， “一 — ”定 位 原 理 认 为 ： Ｎ２ １ 高 、 切 缝 窄 、 热 影 响 区 小 以 及 加 工 柔 性 好 等 优 点 而 广 泛 应 用 于 各 种 ａ ｚ领 域 ，是 激 光 加 工 中 发 展最 为成 熟 的 ｎ 种 技术 。 在 激 （ 第 一 基 准 面 所 需 的定 位 点 数 为 Ｎ（ ≥３） １） Ｎ 。 在 绝 大 部 分 薄 板 件 的 加 工 过 程 中 ，最 主 要 的 尺 寸 问 题 就
栏 目主持 ：黎艳 投稿信 箱 ：Ｌ ＠ｉｎ ｖ ． ｍ．ａ ｉ ｄ ｏ ｏｃ ｃ ｙ ｏ
本 文 在 “ 一 — ” 定 位 原 理 的基 础 上 ，利 用 有 限元 分 析 软 件 ＡＮ Ｓ建 立 适 合 钣 金 件 三 维 激 光 切 割 工 艺 的 定 位 点 优 化 设 Ｎ２ １ ＳＹ
三 、优 化 设 计 理 论
优化 问题 的基本原理 是通过 优化模 型 的建 立 ，运 用各种
金 件 的 夹 具 设 计 中 ，最 主 要 的 问题 就 是 根 据 待 加 工 工 件 自 身 优 化 方 法 ，在 满 足 设 计 要 求 的条 件 下 迭 代 计 算 ，求 得 目标 函数
(完整word版)ansys中LS-DYNA 2D金属切削模拟步骤
在ANSYS Launcher界面中，选择ANSYS Mechanical/LS-DYNA1、菜单过滤Main Menu→Preprocessor→LD-DYNA Explicit→OK2、设置文件名及分析标题Utility Menu→File→change Jobname→2D cutting→New log and error file ：YES→OKUtility Menu→File→change Title→cutting analysis →OK3、选择单元类型Main menu→preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→2D solid 162→OK→options→选择const.stress ；Lagrangian→OK4、定义材料模型1）定义刀具材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→rigid material→输入:DENS:5.2e3 ；EX：4。
1e11 ；NUXY：0.3 ；选择“Y and Zdisps” ;“All rotations”→OK （2) 定义工件Johnson—cook材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→Gruneisen→Johnson-cook→输入: DENS:7.8e3 ;EX：2。
06e11 ；NUXY：0.3A：507；B：320；C:0.28；n;0。
064；m=1。
06D1:0。
15；D2:0。
72；D3：1。
66;D4:0.005；D5：--0。
845、创建几何模型（1)创建工件模型Main menu→preprocessor→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions→输入：X1，X2：0,5;Y1，Y 2：0，3→OK（2）创建刀片模型Main menu→preprocessor→Create→Keypionts→In Active CS→依次输入：keypoint number：5，X、Y、Z ：5.1，2.9，0；keypoint number：6，X、Y、Z ：6，3。
基于ANSYS与Matlab的偏心锥壳大开孔接管优化设计
偏 心 锥 壳 广 泛 应 用 于 化 工 、核 工 业 、航 天 及 深 海等领域。作 为 过 程 装 备，偏 心 锥 壳 在 设 计 工 艺 上要求便于原料 输 入 和 产 品 输 出，结 构 上 要 求 便 于 辅 助 设 备 安 装 、固 定 和 设 备 检 测 ，因 此 不 可 避 免 地要在设备 上 开 孔 和 接 管 。 ［１］ 偏 心 锥 壳 是 一 种 非对称结构，随着 偏 心 角 度 的 改 变 其 应 力 变 化 比 较复杂，每个横 截 面 轴 线 都 不 重 合 但 移 动 方 向 相 同。在偏心 锥 壳 上 开 孔 破 坏 了 壳 体 材 料 的 连 续 性 、减 小 了 原 有 的 承 载 面 积 ，造 成 开 孔 区 域 应 力 集 中，而且接管的 存 在 使 得 开 孔 接 管 区 域 成 为 总 体 结 构 的 不 连 续 区 ［２］，再 加 上 偏 心 锥 壳 形 状 不 规 则，因 此 其 应 力 分 布 变 化 非 常 复 杂 。 ［３］ ＧＢ１５０ ２０１１没 有 对 偏 心 锥 壳 开 孔 和 补 强 设 计 做 出 规 范 ［４］，常规的 设 计 规 范 已 不 能 满 足 要 求，特 别 是 在开孔接管应力 集 中 区 域，若 忽 略 或 简 化 集 中 应 力仍按照常规方 法 设 计，则 为 了 保 障 设 备 安 全 运 行 ，所 取 安 全 系 数 可 能 过 于 保 守 ，这 势 必 造 成 材 料 的浪费，因此 只 能 采 用 分 析 设 计 方 法。 分 析 设 计 依据 ＪＢ４７３２１９９５，以 塑 性 失 效 和 弹 塑 性 失 效 为 准则，根据具体工 程 情 况 对 设 备 具 体 部 位 进 行 详 细的应力计 算 和 分 析 。 ［５］ 目 前 对 偏 心 锥 壳 开 孔 接管的研究很少，程伟等利用 ＡＮＳＹＳ对釜 式重沸
LD泵浦声光调Q Nd∶YAG激光扫描除锈机制
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｈｒｅｅ—ｌａｙｅｒ ｍｏｄｅｌ；ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ；ｌａｓｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ
激 光 清洗作 为一 种 型 的表 面 清 洗 技 术 ，具 有 无 机械 接触 、无基 底损 伤 、选 择 性 清洗 及绿 色 环 保等 优 点 ，在文 物保 护 、光 电子元 器 件制 备 和 轮胎 模 具 清 洗 等领 域应 用 广 泛 ．其 清 洗 机 制 的研 究 和成 品设 备
新 枝 、 新 工 艺
清 洗 世 界
Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｗ ｏｒｌｄ
第 ３４卷 第 期 ２０１８年 ５月
文章 编 号 ：１６７１—８９０９（２０１８）０５－００３７—０５
ＬＤ 泵 浦 声 光 调 Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ
激 光 扫 描 除 锈 机 制
王 欢 ，茼诗 洁 ，刘 丽飒 ，王钰 培 ，石 家榕 ，宋 峰
单 次激光 扫描 可 以清除 约 ５ ｎｍ 的铁 锈 ；当剩余铁锈 的厚度 小 于 ５ ｎｍ 时，激光 能量到 达铁基 底 ， 除 锈 机 制 由烧 蚀 效 应 变 为 振 动 效 应 。 模 拟 实 验 验 证 了 激 光 除 锈 的 三 层 模 型 ：烧 蚀 去 除 层 、振 动
去 除层 （＜５ ｎｍ左 右 ）和铁 基 底层 。
为 了进 一 步 研 究 除锈 过 程 中的 机制 ，我 们 利用 ｌ ０６４ ｎｍ 声光 调 Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ激 光 器 进 行 除 锈 实验 ， 确定 了在锈 层 ２０ ｎｌＹｌ时 除锈 效果 最 优 的激 光能 量 密 度 ，该 条件 下 既 能 清 除 铁 锈 、又 不 损 伤 基 底 。 同 时 ， 利用 ＡＮＳＹＳ分 析 了激 光 扫 描 过 程 中 的铁 锈 和 基 底 的最 大温 升 ，提 ｝｝｛了激 光除锈 的扫 描 ｊ层模 型 。
ANSYS仿真激光切割氧化锌纳米线
２１ ０ １年 Ｉ １月
应
用
光
学
Ｖ ｏ ２ Ｎｏ Ｌ ３ ．６
Ｎ Ｏ ．２ １ Ｖ Ｏ１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｐ ｌ ｄ Ｏｐ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｏ ｐｉ ｔ ｅ ｃ
文章 编 号 ：０ ２ ２ ８ （ ０ １ ０ —２ ５ ０ １ ０ — ０ ２ ２ １ ） ６１ ４ — ６
ＡＮＳ ＹＳ仿 真激 光 切 割 氧 化锌 纳米 线
张恭 轩 ， 李 静， 焦 扬
（ 中国 科学 技 术 大 学 工 程 学 院 精 密 机 械 与 精 密 仪 器 系 ， 徽 合 肥 ２ ０ ２ ） 安 ３０ ７
摘
要： 以脉 冲高斯 激光 为光 源 ， 直径 在 ５ ０ｎ ０ ｍ～ １０ ０ｎ 长度 １ ｍ 的一 维氧 化锌 材料 为对 ０ ｍ、 ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｌｅ ｕ ｓａ ａ ｅ ｓ ｌ ｈ ｏ ｒ ｅ ａ ｄ ｏ ｅ ｄ ｍ ｅ ｓｏ ａ ｎ ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｓ ｒ ｃ ： ｓ ｄ ｏ ｈ ｕ ｓ ｄ Ｇａ ｓ ｉｎ ｌ ｓ ｒａ ｉ ｔｓ ｕ ｃ ｎ ｎ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ Ｏ ｔ ｒａ ｓ ｇ Ｚ
越 大允许 的 激光 离焦 量越 小 ； 当无 离焦或 负 离焦较 小时 ， 切割 纳米 线产 生的 形貌较 为理 想 。 关键 词 ： ＡＮＳ Ｓ 激光切 割 ； Ｙ ； 氧化锌 纳 米线 ； 温度 场
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ Ｎ２ ９ 文献标志码 ： Ａ ｄｉ１． ７ ８ Ｊ Ｏ２ １ ３ ． ６ ７０ ｏ：０ ５ ６ ／Ａ ０ Ｉ２ ０ ０ ０ ３
ห้องสมุดไป่ตู้
ＡＮＳ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｅ ｕ ｔｎ Ｏ ｎ ｗｉｅ ＹＳ ｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｌ ｓ ｒ ｃ ｔ ｉ ｇ Ｚｎ ｎａ ｏ ｒ ｓ
基于ansys与matlab数据接口的cfd数值模拟优化设计方法与流程
基于ansys与matlab数据接口的cfd数值模拟优化设计方法与流程基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法与流程一、概述CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是通过数值计算方法对流体运动进行模拟和分析的一种技术。
在工程领域中，CFD技术可以用来研究和优化各种产品和系统的性能，例如飞机、汽车、船舶、建筑物、管道等。
其中，ANSYS是一种广泛使用的CFD 软件，而MATLAB则是一种强大的数学计算软件。
本文将介绍基于ANSYS与MATLAB数据接口的CFD数值模拟优化设计方法与流程。
二、步骤1. 准备工作在进行CFD数值模拟之前，需要准备以下工作：（1）确定研究对象：例如飞机机身、汽车车身等。
（2）建立几何模型：可以使用CAD软件进行建模。
（3）确定边界条件：例如入口速度、出口压力等。
（4）选择适当的网格划分方式：网格划分对计算精度和效率有很大影响。
2. 进行数值模拟使用ANSYS进行数值模拟的具体步骤如下：（1）导入几何模型：将CAD软件中建立好的几何模型导入到ANSYS 中。
（2）进行网格划分：根据研究对象的形状和要求，选择适当的网格划分方式进行划分。
（3）设置边界条件：根据实际情况，设置入口速度、出口压力等边界条件。
（4）进行数值计算：使用ANSYS中的求解器对流体运动进行数值计算，得到流场参数。
3. 数据处理将ANSYS计算得到的数据导出到MATLAB中进行数据处理和优化。
具体步骤如下：（1）将ANSYS计算结果导出为文本格式。
（2）在MATLAB中读取文本文件，并进行数据处理和优化。
（3）根据实际需求，可以使用MATLAB中的各种函数和工具箱对数据进行分析和优化。
4. 优化设计根据数据处理结果，对研究对象进行优化设计。
具体步骤如下：（1）根据数据处理结果，确定需要改进或优化的方向。
（2）对几何模型进行修改或调整，例如改变形状、增加细节等。
广东工业大学本科毕业设计答辩
3.1.2RNG k−ε模型 RNGk−ε湍流模型可以更好的处理高应变率及流 线弯曲程度较大的流动。 RNG k−ε湍流模型要比标准k−ε湍流模型多消耗 10％到 15％的 CPU 时间。
3.1.3ReaIizable k−ε模型 为使流动符合湍流的物理定律，需要对正 应力进行某种数学约束。比RNG k−ε模型 所需要的时间更长。
实验数据：
(a) 同轴吹气，(b) 侧向吹气，(c) 同轴、侧向协同吹气时候 对切槽宽度的影响，脉冲能量150μJ，气体压力2bar，扫描速度8 mm/s，扫描次数1
由实验可知道，侧向吹气的宽度比同轴吹 气小，同轴、侧向协同吹气的宽度比同轴 吹气小。
Groove width (m)
20 18 16 14 12 10
3.2三维模型的建立
1.由于考虑到模型的结果的直观性，二维轴对 称撞击射流模型此时并不能很好的描述辅助气 体与工件之间的相互作用，因此使用三维模型 来描述撞击射流。
2.基于结果的网格重构技术。
网格的划分一般是在分析前划分的，在以前，分析后得出
初步结果后，如果需要进一步分析的话，是要重新在软件中定 义网格属性。基于结果的网格重构技术能直接修改计算的网格， 优化自身的网格。
第三章 运算及建模
3.1湍流模型的选择
1.标准k−ε模型 2.RNG k−ε模型 3.ReaIizable k−ε模型
3.1.1标准k−ε模型 标准k−ε湍流模型的应用范围应该说是非常 的广泛，尤其是在各向基本同性的湍流充分 发展的高雷诺数区域，往往能给出比较满意 的计算结果，如船尾的复杂流场，船桨干扰 ，裸潜艇阻力的计算等。
输入气压为2atm时，侧轴为不同角度时切槽处的动压变 化曲线图
对应的实验数据：
ANSYS单元生死总结
ANSYS单元生死总结主要参考了ANSYS帮助和ANSYS公司的培训资料，以及崔家春关于生死单元总结的文章，格式按照崔工的编排，很多内容也是他的总结，我加了些补充。
在ANSYS中，单元的生死功能被称为单元非线性，是指一些单元在状态改变时表现出的刚度突变行为。
1)单元生死的原理：1.在ANSYS中，单元的生死功能是通过修改单元刚度的方式实现的。
单元被“杀死”时,它不是从刚度矩阵删除了,而是它的刚度降为一个低值。
杀死的单元的刚度乘以一个极小的减缩系数(缺省为1e-6)。
为了防止矩阵奇异,该刚度不设置为0。
2.与杀死的单元有关的单元载荷矢量(如压力、温度)是零输出3.对于杀死的单元,质量、阻尼和应力刚度矩阵设置为0。
4.单元一被杀死,单元应力和应变就被重置为05.因为杀死的单元没有被删除,所以刚度矩阵尺寸总是保持着1.与之相似，当单元“活”的时候，也是通过修改刚度系数的方式实现的。
所有的单元,包括开始被杀死的,在求解前必须存在，这是因为在分析过程中刚度矩阵的尺寸不能改变,所以，被激活的单元在建模时就必须建立，否则无法实现杀死与激活。
2.当单元被重新激活时，它的刚度、质量与荷载等参数被返回到真实状态。
3.当大变形效应打开时（NLGEOM,ON），为了与当前的节点位置相适应，单元被激活后，其形状会被改变（拉长或压短）。
当不使用大变形效应时，单元将在原始位置被激活。
4.当单元“激活”后,它们没有任何应变历史记录，它们通过生和死操作被“退火”，生的时候所有应力和所有应变等于零。
2)单元生死求解过程：1 建模，对将要进行杀死或激活的单元进行分组。
这点非常重要，将会影响后续工作的效率。
2定义第一个荷载步。
在第一个荷载步中，必须选择分析类型和适当的分析选项。
通常情况下，应该打开大应变效应，而且当要使用单元死活行为时，必须在第一个荷载步中明确设置Newton-Raphson选项。
若不存在其它非线性,应明确指定完全Newton-Raphson 选项。
基于ANSYS的X80管线钢焊接数值模拟
Ｗｅ ｌ ｄｉ ｎｇ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｘ８ ０ Ｐｉ ｐ ｅ ｌ ｉ ｎｅ Ｓｔ ｅ ｅ ｌ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＮＳＹＳ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ，ｉ ｔ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ 。 ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ＡＮ Ｓ ＹＳ ｔ ｏ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ｏ ｕ ｔ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ
Ｌ ＵＯ Ｄｅ ｔ ｏ ｎ ｇ，Ｗ ＡＮ Ｆ ｕ ｗｅ ｉ， Ｗ ＡＮＧ Ｈａ ｉ ｙ ａ ｎ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｗｅ ｍ ｉ ￣ｏ ｆＰ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ８ ０ ， Ｓ ｈ ｎｄ ａ ｏ ｎ ｇ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｗａ ｓ ｍａ ｄ ｅ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ － ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ ｓ ｏ ｉ ｄ ｍｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ， ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｎ ｇ ｂ ｉ ｔ ｒ ｈ — ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｗｅ ｌ ｄ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ，ａ ｎ ｄ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ ＡＰ Ｄ Ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ｃ ｙ ｃ ｌ ｉ ｎ ｇ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｅ ａ ｃ ｈ ｔ ｉ ｍｅ ａ ｎ ｄ
02011202张真源脉冲激光加工中的建模与仿真译文
图7. 不同的功率密度引起的熔体喷出物的平均速度
图8. 不同的脉冲持续时间下的键孔深度和键孔直径
。 图9.不同脉冲持续时间的钻井速度
3.2．影响激光钻井过程的影响
固定激光点(300 lm)和脉冲持续时间(1ms)的不同功率密度的激光,即不同的影响,被使用。钻锁孔质 量和效率的主要指标是键孔深度、 键孔直径和平均钻井速度。 图4和5反映这些指标和激光功率密度的关系。 键孔深度和平均钻井速度几乎与功率密度的增加而线性增加,而锁孔直径的增加的趋势是变小了。 因为时间 相对较长,激光与材料相互作用和强烈的热效应容易产生深孔在毫米尺度并具有巨大的长宽比和快速钻井 速度。 伴随着键孔的形成,熔体喷射实验中也观察到了。在图6中显示在不同激光功率密度下的瞬间融化弹射 仿真结果。从仿真结果,它反映了当激光功率密度超过一定的阈值时熔体喷射状态下的转变。当激光功率密 度逐渐变小，如图6（a）和（b） ，融化喷射物逐渐的被沿着通道壁被打扫出来。当激光功率密度变大，融 化物质的清扫却主要是发生在汽化过程的早起阶段并主要沿着表面横向进行。 在这种情况下,熔体喷射模式 转变的阈值可能是在3.54 MW /平方厘米附近。通过两种类型的融化驱逐在[24]中的说明，得到这些结果确 实是完全相同的。当液体被加热时，正如图6.所示四种沸腾类型，即对流沸腾、泡核沸腾、过渡沸腾和泡 膜沸腾可能发生。类似地，由较低较低激光能量密度照射的融化铝层的温度也只是略高于沸点。包括出现 在融化层的反冲压力、表面张力和马朗戈尼毛细剪切力等在内的主要力，把融化物前向下移动并将喷出物 沿键孔墙清除。当在更高激光能量密度照射下表面温度快速增加时，由于温度过高，在融化的初始阶段就 几乎同时融化，使得融化层进行着更加激烈的沸腾。快速的加热给融化层大大增加了压力，可以视为一个 来自内部的力。因此融化爆炸驱逐以液滴形式发生，在融化层之下释放压力。在激光发射后，这个模拟过 程发生在几十到几百微秒时间尺度的激光辐照，可以与[29]中的实验结果进行比较。材料的去除主要依靠 喷射。 除了融化弹射模式过渡的定性分析, 通过测量平均喷出物融化速度进行定量分析是一个更严格的方 法。 在图7中显示了在持续脉冲时间中融化喷射物的平均速度和实验结果[10]的相应范围内激光功率密度 的数值结果。 数值和实验结果都表明类似的趋势,随着激光功率密度的增加熔体的平均速度喷出物首先增加 至峰值，然后紧跟着这个增加趋势的是减少。我们相信的下降速度是归因于弹射模式转变。由于在模型中 做了假设，所以结果上有了不同。然而作为一个整体，数量级和趋势匹配的和好。另外，在低能量密度的 情况下计算结果也有很好的一致性。
基于ANSYS LS-DYNA的金属切削技术研究
基于ANSYS/ LS-DYNA的金属切削技术研究摘要：运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对WC硬质合金刀具切削45#钢的过程进行有限元仿真。
分析了建立有限元模型时的关键技术，研究了切削的应力变化过程，并对切削速度、切削厚度和刀具前角对切削力的影响进行了分析，可为金属切削技术的研究提供参考。
关键词：金属切削;应力;切削力0 引言金属切削加工是指利用金属切削刀具从毛坯或半成品上切去多余的材料，从而获得符合预定技术要求的零件或半成品的一种加工技术。
计算机技术的发展推动了金属切削加工模拟技术的进步,有限元法应用于加工过程的模拟,具有动态性、高度非线性等特点。
仿真结果能够达到所需的精度，可靠性高，还能得出许多在试验中很难测量的数据。
本文利用ANSYS/LS-DYAN软件建立金属的正交切削有限元模型，对WC硬质合金刀具切削45#钢的过程进行分析。
1 有限元模型1.1 建立几何模型在ANSYS/LS-DYNA中有Lagrange、Euler和ALE 3种算法，本文采用Lagrange法。
采用这种方法时，物体结构形状的变化和单元网格的变化是完全一致的，材料不会在单元与单元之间发生流动。
在ANSYS的前处理器中建立二维模型，刀具的几何参数为：前角=12°，后角=15°，工件取长15mm，高7mm的矩形。
定义有限单元类型为PLANE162。
1.2 建立材料模型在金属切削过程中，材料的行为是非线性的，工件模型采用Johnson-Cook模型，刀具可看成线性弹性模型。
刀具材料为WC硬质合金，密度为15700kg/m3，弹性模量为652GP a，泊松比为0.22；工件材料为45钢，材料参数如表1。
Johnson-Cook模型如下：1.3 网格划分网格划分是有限元模拟的基础，它关系到有限元计算的速度和精度，以至计算的成败。
将工件进行切分，分为上下两部分，上半部分高3mm，为切削区。
切削区网格进行细分，得到工件的网格数为6000，刀具网格数为400。
ANSYS在电磁无损检测中的应用
收稿日期:2009-02-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672144).作者简介:冯蒙丽(1981 ),女,河北省保定人,硕士,主要从事无损检测、模拟仿真相关研究.ANSYS 在电磁无损检测中的应用冯蒙丽1,蔡玉平1,赵建君1,陈红叶1,宋春荣1,丁红胜2(1.军械工程学院基础部,石家庄 050003; 2.北京科技大学应用科学学院,北京 100083)摘要:介绍了电磁无损检测发展现状及其与仿真技术结合发展的必要性,建立了针对交流磁场检测(AC FM )金属缺陷的仿真模型,列出了磁场、电流仿真方面的理论分析,同时简单介绍了涡流检测仿真的发展.展示了仿真技术在无损检测实际工程中的重大意义.关键词:ANSYS;无损检测;ACFM ;涡流检测中图分类号:TP274.5;O441文献标识码:A文章编号:1006-0707(2009)06-0024-03无损检测技术以不损坏检测对象的使用性为前提,以材料的物理性质为理论基础,其发展过程几乎利用了世界上所有物理研究的新成就,新方法,在航空,医学,机械材料,石油管道等领域具有广泛的应用价值[1-7].实现无损检测的方法有多种,例如超声检测、射线检测、磁记忆检测、电磁检测等,其中电磁检测主要包括传统涡流检测以及近年发展起来的交变磁场检测(ACFM).并且随着磁测量技术,尤其是20世纪80年代后随着SQUID 的快速发展,电磁检测在电子电路方面又开拓出了一片新的领域[8-10].20世纪90年代是国际无损检测技术发展的又一个兴旺时期,其特点是计算机技术不断向无损检测领域渗透,使得无损检测仪器的改进得到很大提高[6].随着无损检测技术的不断发展,不仅要求检出缺陷的有无,还要对缺陷进行定量、定性,进而对检测对象做出无损评价.这可以通过试验或数值模拟计算的方法得到,有助于对特定的检测对象进行有效的检测[11],通过试验手段具有相当的可靠性,但是仅通过试验来积累经验相当的费时费力[12],并且对于新兴的无损检测技术,如ACFM 方法,这方面的信息相对较少,在实际检测过程中也存在一定难度,作为一种新型技术,需要进一步对测量的可行性进行完善研究,通常可用一定的仿真软件进行模拟.随着数字技术,尤其是有限元方法的广泛应用,它可以方便处理复杂形状的边界和交界面[13],电磁场问题的数值分析也得以解决.1 ANSYSANSYS 是当前可视化的面向科学计算的优秀仿真科技应用软件.它是当前有限元分析软件中的佼佼者,它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效的求解各类电磁场问题,以及多场耦合问题[14-15].本研究主要是针对当前新兴的ACFM 无损检测手段先进行仿真研究,再与理论数值相比较,从而为实际检测系统中缺陷的定量研究提供理论上的指导.为使得出的仿真结果更具普遍指导意义,采用三维模型对金属表面缺陷检测进行了模拟.试验结果与理论数值得基本吻合,同时简要介绍了当前涡流检测仿真的发展,这充分显示了这种研究思路在电磁无损检测中的可行性和在实际工程应用中的重大意义.2 ANSYS 在无损检测中的应用2.1 ACFM 缺陷检测2.1.1 ACFM 原理根据楞次定律,电磁波在导体中传播时,导体中将产生感应电流,而感应电流分布及大小与导体的电导特性有关.如果让交变电流垂直于样品平面,当被测样品中无缺陷时感应电流均匀分布,电流线平行,如果存在缺陷,电流线会在缺陷边缘处产生汇聚和偏转,两端电流密度比激励电流要大得多,存在一定的奇异性,这种电流的变化会产生一个偶极子磁场[16-17],如图1所示.在缺陷两端电流最密集,会产生两个B z 峰值,根据两峰值之间的距离可以确定缺陷的长度;沿缺陷方向B x 值受扰动,在缺陷最深处达到最小值.因此ACFM 检测可以通过分析B z 和B x 获得与缺陷有关的长度、深度信息.第30卷 第6期四川兵工学报2009年6月此外感应电流存在趋肤效应即电流趋向于在导体表面附近流动,而且电流密度向导体内部成指数衰减,根据理论,趋肤深度 =503f[18],其中f 是电磁波的频率, 和分别是导体材料的磁导率和电导率,根据这一关系,对某一特定的导体材料,可以求出每一种激发频率所对应的趋肤深度.同理,反过来可以通过寻找最佳感应频率,即缺陷对该频率具有最大的响应来估计缺陷深度.相对于用B x 信息,这种方法估算缺陷深度更加简单直观,在实际应用中的可操作性也更强,本研究将通过这种方法对激发频率进行选取.图1 缺陷周围电流分布2.1.2 模型建立取尺寸为300mm 300mm 3mm 的铝板,设磁导率为1,铝板正中心长方体缺陷尺寸为10mm 1mm 1mm,激励线圈尺寸为40mm 25mm 25mm,厚度1m m,匝数800N,相对磁导率1,水平放置在距离裂缝4mm 的空气中,通频率为500~20000Hz的正弦电流,如图2所示.图2 铝板、线圈位置示意图采用solid97单元划分线圈、铝板以及空气场,采用in fi n111划分远场,同时使用mesh200设置非解区域,把开域问题建立为闭域问题求解.2.1.3 仿真结果将激励线圈放在缺陷正上方,通过对不同频率下的磁场信号进行比较,选取6000Hz 的最佳激发频率进行激发.截取了缺陷附近30mm 30mm 范围,从铝板表层到深度1mm 的节点电流值,发现在线圈有效激励范围之内,缺陷附近电流在缺陷两端产生的磁场出现汇聚.电流清晰的显示了缺陷部分的变化趋势.将截面锁定在铝板表层,放大后的情景如图3所示.图3 缺陷附近的电流矢量分布在铝板表层到深度1mm,缺陷附近30mm 30mm 范围内磁场分布如图4.在大范围内激励线圈磁场占主导地位,在缺陷附近,感应电流所产生的磁场占据优势.在图中可以看出磁场从缺陷下端向下,在缺陷上端方向逐渐朝上的趋势,这样在缺陷下端会出现B z 的最小值,在上端出现B z 的最大值.图4 仿真缺陷周围磁场分布2.1.4 缺陷测量根据趋肤深度公式,及各种激发频率下结果进行比较,对不同6000Hz 激发频率下铝板上方0.1mm 处沿缺陷方向20mm 长度范围内的磁场B z 数据进行了采集.结果如图5所示.图5 磁场二维分布从图5中可以看出缺陷长度为10mm(在5~15mm 之间).在一维数据的基础上,测量高度0.1mm,缺陷正上方15m m 15mm 范围内磁场分布如图6所示.在缺陷两端分别出现了一个磁场的极值,两个极值之间的距离就是缺陷长度.可以看到磁场信息清晰准确地显示了缺陷位置和长度.25冯蒙丽,等:ANSYS 在电磁无损检测中的应用图6 沿缺陷方向20mm 长度范围内磁场此外,利用仿真模型可以检验在不同深度下的缺陷检测的效果.可以用来预测在不同深度,不同测量高度下磁场信号所反映信息的准确度.2.2 涡流检测仿真简介在涡流检测中,大量的数值分析也是依靠有限元仿真来实现的,尤其是针对检测线圈的优化设计,模拟实际检测条件进行分析,可以方便迅速的得到探头设计中元件的最佳位置,理论上,可对各种条件下的缺陷进行仿真,而不需要大量的人工缺陷式样.图7为铝合金厚板上长方形裂纹的涡流检测.图7 涡流检测ANSYS 仿真模型图8为钢管远场涡流缺陷检测模型.图8 钢管远场涡流缺陷检测模型三维仿真结果可将电流磁场情况直观的表现出来.此外针对管道检测[20](铁磁性管道腐蚀远场涡流检测性能的改进,涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析),通过数值模拟在传感器改进,性能检测方面都取得了一定成果.3 结束语利用仿真模型给出了ACFM 检测的最佳激发频率,磁场以及电流分布清晰的显示了缺陷长度信息,仿真得到B z 曲线与ACFM 理论相符.涡流检测的相关结果也显示了仿真模拟的可靠性.随着时代的发展,无损检测对信号精度的要求越来越高,对实验方法、仪器改进也越加迫切,单纯的实验测量获取数据具有周期长,数据少,成本高,尤其对新测量方法(ACFM)数据获取难,设备改进不方便等缺点,已经远远不能满足当前研究的要求,而仿真技术随着大型有限元软件的不断开发,尤其是ANSYS 的出现,有效地弥补了以上不足,可以针对各种模型,缺陷,探测器进行仿真模拟,从而达到较快完善新测试方法,对各种探测方法、探测器进行比较改进,获取最佳测试参数(激发频率,探测高度,探测线圈尺寸)的目的,同时,针对各种实际情况,有效的模拟也可以为其提供有价值的前期参考,以节省大量的人力物力.此外,随着近年来各种电磁反演技术的发展,有效快速的仿真可以方便地获得尽可能多的数据对现有的反演技术进行验证,从而促进成像技术的完善,推动无损检测可视技术的快速发展.可以预见,随着数字技术的不断进步,更快速、更可靠和低成本的无损检测设计将更广泛地被(有限元方法在涡流传感器设计中的应用)采用.参考文献:[1] 丁鸿佳,刘士杰.我国弱磁测量研究的进展[J].地球物理学报,1997(40):238-248.[2] 程志虎,蒋安之.水下无损检测技术的发展[J].无损检测,1998,20(8):232-235.[3] 刘贵民,马丽丽,郑铁军.无损检测技术在再制造工程中的应用展望[J].中国表面工程,2006,19(5):118-120.[4] 宋生奎,宫敬,胡利明,等.油气管道内检测技术研究进展[J].石油工程建设2005,30(2):10-13.[5] 夏灵,肖国臻,吕维雪.生物电磁学的研究动态[J].生物物理学报,1997,13(3):519-524.[6] 安治永,李应红,梁华,等.无损检测在航空维修中的应用[J].无损检测,2006,28(11):598-601.[7] 元和平.电磁检测技术装备及应用[J].石油机械,2005,33(1):77-80.[8] Fleet E F,Chatraphorn S,Wellstood F C.HTs ScanningS QUID Microscopy of Active Circuit [J].IEEE transaction on applied superconductivity ,1999,9(2):4103-4106.[9] chatraphorn S,Fleet E F,Wellstood F C,et al.ScanningS QUID microcopy of integrated circuits[J].Applied physicsletter,2000,76(16):2304-2306.(下转第29页)26四川兵工学报4.3 页面构件实现页面构件用来接收用户的输入数据,传输给XML 总线,并从XML 总线接收结果数据,进行输出.实现一个!添加∀页面,用来输入新增记录的信息.页面显示如上图5所示.图5 !添加∀页面显示4.4 展现构件实现展现构件充当业务导航的功能.现以往学生信息表插入新记录为例.当在页面构件中填入新记录信息,点击!添加∀按钮后,调用!添加∀展现构件.展现构件如图6所示.图6 !添加∀展现构件的实现展现构件先调用!添加∀业务构件,往数据库中插入记录,根据插入成功与否,返回一个判断值.然后展现构件根据判断值,决定调用哪个页面进行展现.可见,按构件化的思想进行设计,很容易实现了学生选课系统.构件化思想,建立了B/S 的多层体系结构,简化了开发过程,便于进行系统的维护,有利于实现代码的可重用性.当系统功能需要扩充时,我们只需要在原有的系统上对相应的构件进行扩充,而不需要去修改其他的构件,有利于实现功能扩充.5 结束语J2EE 提供了一套多层分布式计算体系规范,极大地提高了Web MIS 的开发效率.EOS 是一个构件化的虚拟层,对J2EE 的每个层次作了一个构件化的解析.基于EOS 平台的构件化思想,封装了Web MIS 的基本元素,通过XML 总线交换数据,简化了构件间的数据接口,降低了开发的复杂性,提高了代码的可复用性.随着Web MIS 的发展,基于构件化思想系统的开发和实现,必将得到广泛应用.参考文献:[1] 曾亮,齐欢.基于J2EE 核心模式的组合Web 框架研究[J].华中科技大学学报,2007,35(6):43-46.[2] 迟瑞楠.基于J2ME 和J2EE 的移动电子商务系统研究[J].微型计算机信息,2007(12):152-154.[3] 曾小宁,黎明.基于XML 的数据交换中间件的研究与实现[J].计算机工程与设计,2007(12):2999-3002.[4] 莫赓,钟华,魏俊.一个面向电子政务的信息交换与共享平台的设计与实现[J].计算机应用研究,2005(5):156-159.(上接第26页)[10]Fleet E,Gilbertson A,Chatraphorn S,et al.Imaging Defectsin Cu clab NbTi Wire Using a High TcScanning SQUID M i croscope [J].IEEE transaction on applied superconductiv ity,2001,11(1):215-218.[11]孙朝明,徐彦霖,刘宝.有限元方法在涡流传感器设计中的应用[J].传感器技术,2005,24(10):80-83.[12]倪春生,陈国明,张彦廷.交流电磁场检测探头激励线圈的数值仿真及优化.中国石油大学学报:自然科学版,2007,31(2):100-103.[13]孙朝明,徐彦霖,刘宝.有限元方法用于涡流电磁场计算的有效性分析[J].无损检测,2006,28(11):561-564.[14]闫照文,李朗如.电磁场有限元分析的优秀软件.设计与研究,2003,36(3):27-29.[15]唐兴伦,范群波,张朝晖,等.ANSYS 工程应用教程热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003:150-168.[16]Naser S Alzayed,Chang xin Fan,D.F.Lu,K.W.Wong ,Marvin Ches ter,David E.Knapp.Deep Nondestructive Testing using a Bulk Hi gh T,rf SQUID[J].Ieee transaction on applied superconductivity 1994,4(2):81-86.[17]孙瑜,罗飞路,赵东明.利用交变磁场测量法的金属表面缺陷检测[J].测控技术,2004,23(2):44-45.[18]赵凯华,陈熙谋.电磁学[M ].2版.北京:高等教育出版社,1985.[19]Sun Yu,Luo Fei lu,Zhao Dong mi ng ,Defect T est of MetalSurface with Alternating Current Field Measurement Method[J].Measurement and Con trol Technique,2004,23(2):44-45.[20]徐小杰,罗飞路,刘春艳,等.铁磁性管道腐蚀远场涡流检测性能的改进[J].测试技术学报,2006,20(5):461-466.[21]孙朝明,徐彦霖,刘宝.涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析[J].工具技术,2007,41(1):107-110.29焦桂芝,等:基于构件的Web MIS 的设计与实现。
长脉冲激光致铝合金靶产生热应力的数值研究
增刊激光探测、制导与对抗技术：论文摘要437长脉冲激光致铝合金靶产生热应力的数值研究秦渊，倪晓武，陈彦北（南京理工大学理学院，江苏南京210094）摘要：建立了Nd：Y AG长脉冲激光与2A12铝合金圆盘相互作用时温度场的空间轴对称数学模型。
基于热传导方程、热弹塑性理论、Prandl-Reuss塑性流动增量理论，考虑了热物参数随温度的变化，用有限元数值方法计算了材料表面的温度、热应力径向分布。
根据V on Mises屈服准则判断了塑性屈服的发生。
结果表明，长脉冲激光辐照时，材料中心温度最高、温升最快。
在材料弹性阶段，表面径向应力始终为压应力并持续增大。
被辐照表面中心首先发生塑性屈服，塑性区域热应力不断降低、范围逐渐扩大。
随着长脉冲激光能量密度增加，材料在较低温度下更早进入塑性损伤阶段。
关键词：长脉冲激光；有限元法；热应力；塑性屈服固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究刘秀梅1，贺杰2，陆建1，倪晓武1（1.南京理工大学应用物理系，江苏南京210094；2.南京工程学院基础部，江苏南京211167）摘要：采用两套基于光偏转原理的光纤传感器测量了固壁旁激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。
通过实验获得了激光空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程，判定了空泡在两次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期，并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。
此外，在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和激光空泡在固体壁面附近溃灭时产生的射流冲击力的作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。
关键词：激光空泡；射流冲击力；空蚀；光纤传感器激光诱导击穿光谱技术在太空探测中的应用林兆祥1，李捷2，刘林美1，吴金泉1，孙奉娄1(1.中南民族大学激光光谱实验室，湖北武汉430074；2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074）摘要：激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的元素分析技术，具有灵敏度高、快速、可多元素同时测量并可非接触遥测等优点，非常适合针对空间其他星球的空间遥测。
基于激光冲击波三维无损打标的数值模拟
基于激光冲击波三维无损打标的数值模拟王伟;张永康;鲁金忠;殷苏民【摘要】为了研究激光冲击波打标后标记区域的残余应力分布与材料变形情况,基于ANSYS/LS-DYNA建立了激光冲击波打标的三维有限元模型,通过激光诱导的冲击波加载,进行了打标的数值模拟.模拟结果表明,激光冲击波作用后的标记区域网格形成了与载荷直径相仿的凹坑,其残余应力均表现为压应力,并随着形变量的逐渐增加,在标记中心残余压应力达到最大值;材料厚度方向的残余压应力随着材料厚度的增加而不断减小,在1mm～1.4mm深度范围内载荷的作用效果不明显.这一结果可用于指导激光冲击波三维无损打标残余应力场的理论分析及其实验研究.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)001【总页数】4页(P37-39,43)【关键词】激光技术;激光打标;激光冲击波;ANSYS/LS-DYNA;残余应力【作者】王伟;张永康;鲁金忠;殷苏民【作者单位】江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】TN249引言激光冲击波无损打标是打标领域的一项新技术。
与传统的打标技术相比，它存在材料去除，也不会改变标记区域的化学性质，同时会产生较大的残余压应力，有利于提高零件的抗疲劳寿命。
因此，激光冲击波无损打标技术不但不影响零件的使用，还可以在一定程度上提高零件的抗疲劳性能。
这一优势决定了这项技术在航空航天关键零部件打标上有广泛的应用前景。
2001年，美国利弗莫尔国家重点实验室BRENT等人申报了激光喷丸打标专利[1]，就是利用激光冲击波力效应打标。
国内江苏大学的学者首先在这方面展开了研究。
但这些只局限于理论与实验方面的研究，而运用有限元模拟激光冲击波无损打标的研究迄今为止尚未见相关文献报道。
毫秒激光金属打孔的解析和实验
Ｎａ ｊ ｎ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ，Ｎａ ｊ ｎ １ ０ ４ ｈ ｎ ｎ ｉ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｃｅ ｃ ｙ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｉｇ ２ ０ ９ ，Ｃ ｉ ａ；
２ ｃ ｏ ｌ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ，Ｃ ａ ｇｃ ｕ ｉ ｅ ｓｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｃｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２，Ｃ ｉ ａ ．Ｓ ｈ ｏ ｃｅ ｃ ｏ ｈ ｎ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｃｅ ｃ ｙ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｇｈ ｎ１０２ ｈｎ ）
毫秒 激 光 金 属 打 子 的解 析 和 实 验 Ｌ
秦 渊 ， 娟 ， 毕 倪晓武 ， 沈中华 ， 张喜和
（． １ 南京理工大学 理学院 信息物理－工程系， ９ 江苏 南京 ２ ０９ ； １０４
２ 长春理工大学 理学院， ． 吉林 长春 １０２ ３０ ２）
摘 要 ： 究 了用 毫 秒 脉 宽 的 长脉 冲激 光 单 个 脉 冲 打深 孑 的成 形 过 程 和 打孔 速 率 。首 先 ， 研 Ｌ 由切 割 法 得 到 了 １ｍｓ 宽 的 Ｎ 脉 ｄ ： Ｇ 高 斯 激 光对 厚 铝 板 打 孔 时 孔 的 形貌 ， 光 能 量为 ７ ９和 ２ ． 时 ， 应 的孔 深 分 别 为 １８ ９和 ２ ９５ｍｍ。根 据 ＹＡ 激 ． ８ ９Ｊ 对 ．４ ． ７ 实 验 建 立 了 轴 对 称模 型 ， 过热 传 导 方 程 得 到 了 固相 温度 的解 析解 。然 后 ， 设 物 质 一 旦 熔 融 就 离 开 孑 ， 通 假 Ｌ 由能 量 平 衡 原 理 得 到 了孔 形状 的表 达 式 。实 验 发 现 随激 光 能 量 增 加 ， 深 增 加 ， 算 与 实 验结 果差 异 也 增 大 ； 一 步 的 计 算 显 示 ， 其 孔 计 进 在 他 条 件 不 变 时 ， 束 半径 的变 化 对 孔 深 的 影 响较 大 。 因此 ， 光 引入 离 焦 效 应 对 算 法 进 行 了改 进 ， 进 后 的 计 算 结 果 与 实 验 改 总 体 相 符 。最 后 ， 究 了 长脉 冲激 光 对 铝 、 、 和 钛 ４种 金 属 的 打孔 速 率 ， 果 表 明 ， 对 激 光 吸 收 最 强 、 传 导 率 能 力 研 铜 银 结 钛 热
ANSYS仿真激光切割氧化锌纳米线
ANSYS仿真激光切割氧化锌纳米线张恭轩;李静;焦扬【摘要】以脉冲高斯激光为光源,直径在500 nm～1 000 nm、长度10μm的一维氧化锌材料为对象,采用有限元分析软件ANSYS建立了激光切割氧化锌纳米线的热力学仿真模型,并采用生死单元技术对超过熔点的单元进行处理,得到不同激光工作参数和氧化锌纳米线直径下的温度分布场和切割形貌.讨论了纳米线直径和聚焦光斑相对纳米线的位移对切割的影响,纳米线直径越大允许的激光离焦量越小；当无离焦或负离焦较小时,切割纳米线产生的形貌较为理想.%Based on the pulsed Gaussian laser as light source and one-dimensional ZnO materials with 500 nm ~ 1000 nm diameter and 10 /urn length as target, the finite element analysis software ANSYS was used to establish the thermodynamic simulation model of laser cutting ZnO nanowires. The birth-death element technology was adopted to process the unit which temperature was above the melting point. The temperature distribution field and the cutting morphology were obtained, as the laser working parameters and ZnO nanowire diameters changed. The influence of the nanowire diameter and the focusing spot displacement relative to the nanowires on laser cutting was discussed. The results show that the larger the nanowire diameter is, the smaller the tolerance of the laser defocus amount is; when the defocus amount is zero or the negative defocus is small, a better cutting morphology is obtained.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】6页(P1245-1250)【关键词】ANSYS;激光切割;氧化锌纳米线;温度场【作者】张恭轩;李静;焦扬【作者单位】中国科学技术大学工程学院精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027;中国科学技术大学工程学院精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027;中国科学技术大学工程学院精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】TN249引言纳米线等纳米材料是构建微纳光电子器件的基础元件。
ANSYS单元生死总结2
单元生死总结2一）刚度修改-单元生死如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就“存在”（或消亡）。
单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。
本选项主要用于钻孔（如开矿和模拟隧道开挖等），建筑物施工过程（如桥的建筑过程），顺序组装（如分层的计算机芯片组装）和另外一些用户可以根据单元位置来方便的激活和不激活它们的一些应用中。
单元生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural产品。
在一些情况下，单元的生死状态可以根据ANSYS的计算结果决定，如温度、应力、应变等。
可以用ETABLE命令（Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table）和ESEL命令（Utility Menu>Select>Entities）来确定选择的单元的相关数据，也可以改变单元的状态（溶化，凝固，断裂等）。
本过程对于由相变引起的模型效应（如焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部分），失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。
要激活“单元死”的效果，ANSYS并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF]。
因子缺省值为1.0E-6，可以赋为其他数值（详见“施加载荷并求解”部分）。
死单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效（但仍然在单元载荷的列表中出现）。
同样，死单元的质量，阻尼，比热和其他类似效果也设为0值。
死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。
单元的应变在“杀死”的同时也将设为0（在荷载向量中，与被杀死单元相联系的单元荷载也被设置为0，当然其质量、阻尼等一切对计算有影响的参数都会被设置为0。
而且，当单元死掉时，其应变也被设置为零，所以在后处理中，所有被杀死的单元其内力都为零，即使是被设置初始应变的单元也是如此。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
１ 引 言
激光打孔是利用会聚的高能激光对金属靶材产 生的热效应 ， 使材料在受辐照区域产生温升 、 熔融甚 至气化等热物理 现 象 ， 从 而 达 到 加 工 的 目 的。与 传 统加工方法相比 ， 激 光 加 工 具 有 精 度 高、 速 度 快、 质 量好 、 可进行远 距 离 非 接 触 式 加 工 等 优 点 。 随 着 激
２ Biblioteka Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｏ ｎ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｄ ｏ ｎ ｅ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ Ｔ ｇ ｐ ｇ ｐ ｙ ｇ ， Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ． Ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｉ ｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｏ ｆ ｅ ｖ ａ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｅ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｇ ｐ ｊ ｃ ｏ ｕ ｌ ｅ ｄ ｓ ｏ ｌ ｖ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｗ ｏ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｘ ｉ ｓ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｅ ａ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｅ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ．Ａ ｆ ｔ ｅ ｒ － － ｐ ｇ ｙ ｑ ， ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ ｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｑ ｙ ｐ ｙ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｅ ｍ ｏ ｒ ａ ｌ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｗ ｈ ｏ ｌ ｅ ｓ ｈ ａ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ｗ ｉ ｌ ｌ ａ ｅ ａ ｒ ｂ ｐ ｐ ｐ ｐ ｐ ｙ ，ａ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｅ ｌ ｌ ｅ ｄ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｌ ｉ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｐ ｇ ｐ ｐ ｇ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｅ ｘ ｌ ａ ｉ ｎ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｈ ａ ｅ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｔ ｒ ｕ ｍ ｅ ｔ ｓ ｈ ａ ｅ ｄ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｒ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｌ ｉ ｕ ｉ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｎ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｄ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｐ ｙ ｐ ｑ ｐ ， ｅ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｌ ｉ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｄ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ａ ｄ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｔ ｏ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ． ｊ ｑ ｊ ｐ ｙ ； ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｕ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｑ ｇ ｊ ｙ Ｏ Ｃ Ｉ Ｓ ｃ ｏ ｄ ｅ ｓ ４ ０． ６ ８ １ ０； １ ４ ０． ３ ３ ９ ０； ２ ６ ０． ２ １ ６ ０； ３ ５ ０． ３ ３ ９ ０； ３ ５ ０． ５ ３ ４ ０ １
；收到修改稿日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ３ ２ ０ １ ３ ０ １ ２ ９ 收稿日期 ： － － － － ， 作者简介 ：臧彦楠 （ 男， 博士研究生 ， 主要从事长脉冲激光与金属材料相互作用等方面的研究 。 １ ９ ８ ５—） ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ９ １ １ ｎ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ ＠ｓ ｙ ， 导师简介 ：倪晓武 （ 男， 博士 ， 教授 ， 主要从事激光与物质相互作用等方面的研究 。 １ ９ ５ ５—） ： （ 通信联系人 ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｎ ｘ ｗ＠ｍ ａ ｉ ｌ ． ｎ ｕ ｓ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ｊ ０ ６ ０ ３ ０ ０ ５ １ －
１ ２ 株洲时代新材料科技股份有限公司 ，湖南 株洲 ４ １ ０ ０ ９ ４； １ ２ ０ ０ ７） （ 南京理工大学理学院信息物理与工程系 ，江苏 南京 ２
摘要 以 脉 宽 为 毫 秒 量 级 的 单 脉 冲 激 光 逆 重 力 方 向 对 金 属 的 打 孔 实 验 为 模 拟 对 象 ， 利 用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ软件并基于生死 单元方法进行了数值仿真 。 根据靶材受热表面的气化压力反作用于熔融层的力 学 效 应 ， 建立了熔融液体克服表面 分别用有限元法和有限差分法对二维轴对称的热传导方程和 流 体 的 一 维 欧 拉 运 动 方 程 进 行 张力运动的喷溅模型 ； 得到了不同时刻模型的温度场和流场 ； 应用生死单元法使发生喷溅的 熔 融 液 体 单 元 在 计 算 中 失 效 ， 并得 耦合求解 ， 到了孔洞内壁和洞口表面的形状 ， 其形貌与文献报道的实验结果相符合 。 数值结 果 显 示 出 洞 底 附 近 的 孔 洞 内 壁 具 有不规则凹凸 ， 而洞口则呈喇叭状 ， 这是打孔过程中熔 融 液 体 在 洞 底 附 近 的 熔 融 层 较 薄 处 发 生 流 动 中 断 和 位 于 洞 口两侧的液体间张力作用所致 。 关键词 激光技术 ； 激光打孔 ； 数值模拟 ； 生死单元 ； 熔融液体喷溅 ： ／ 中图分类号 Ｔ Ｇ ６ ６ ５ 文献标识码 Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ Ｃ Ｌ ２ ０ １ ３ ４ ０． ０ ６ ０ ３ ０ ０ ５ Ｊ
中 国 激 光
如脉宽为纳秒量级的高功率密度激光打孔以靶材的 气化或升华
［ ］ ２
为主要去除机制 ， Ｙ ｉ ｌ ｂ ａ ｓ等
［ ］ ３
研究了此
） 语言 ， 通过对每一时间步计 算 的 温 度 场 结 Ｌ ａ ｎ ｕ ａ ｅ ｇ ｇ 果进行分析 ， 使节点平均温度超过熔点的单元在计算 中失效 ， 从而得到了长脉冲激光打孔后的洞形 ； 褚庆
Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌ ｏ ｎ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｎ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｇＰ ｇｏ ａ ｎ ｄ Ｄ ｅ ａ ｔ ｈ Ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ
］ １ ３ 提出 了 靶 材 受 热 区 一 旦 熔 融 即 被 去 除 的 假 臣等［
种机制下的钢材打孔 ， 建立了位于相变交界处的蠕变 用有限差分法计算了脉宽为 ２ 模型 ， ４ｎ ｓ的激光作用 下靶材蠕变区的温度场以及蠕变深度 ， 并比较了靶材 各项热物理属性随温度变化时对打孔深度及重铸层 厚度的影响 。 又如 ， 脉宽为毫秒量级的高能量激光以 熔融液体的向外喷溅 为主要打孔方式 ， Ｖ ｏ ｉ ｓ ｅ ｙ等 ： 指出 熔融液体的喷溅是激光打孔的有效形式 ； 打孔
１］ 光打 孔 技 术 在 工 业 加 工 ［ 中 日 趋 广 泛 的 应 用， 越来
越多的学者对这一 物 理 过 程 进 行 了 相 应 的 研 究 ， 其 中不乏数值模拟的研究 。 对激光打孔的数值模拟通常以被加工孔洞的深 度、 洞口的直径 、 洞壁的形状和移除速度等参数特征 考虑到不同特性和功率密度的激光 为主要研究对象 ， 作用下的打孔机制不尽相同 ， 因此孔洞的参数特征主 要 取 决 于 作 用 的 激 光 特 性 以 及 靶 材 的 热 物 理 属 性。
［ ］ ４ ［ ］ ５
设， 分析了长脉冲激光打孔金属靶材的洞形与激光参 数的关系 ； 他们均以模型中网格单元的平均温度是否 超过熔点作为判断单元在计算中失效的依据 。 本文建立了长脉冲激光逆重力方向对金属铝打 孔的二维轴对称模 型 ， 考虑了气化反作用压力与靶 材熔融区域表面张 力 之 间 的 关 系 ， 并以熔融液体在 该压力作用下的运动状态作为判断单元计算是否失 效的依据 ， 得 到 了 打 孔 最 终 形 成 的 洞 形， 并与文献 ［ ］ 报道的实验结果进行了比较 。 １ ４
１ １ ２ Ｚ ａ ｎ Ｙ ａ ｎ ｎ ａ ｎ ｉ Ｘ ｉ ａ ｏ ｗ ｕ ｈ ｅ ｎ Ｙ ａ ｎ ｂ ｅ ｉ Ｎ Ｃ ｇ
１ ｅ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ Ｉ ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｈ ｓ ｉ ｃ ｓ ＆Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ，Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｐ ｆ ｆ ｙ ｇ ｇ， ｆ ｊ ｇ ｙ ｆ 烄Ｄ 烌