基于ANSYS生死单元法的长脉冲激光金属打孔仿真_臧彦楠

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
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。
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
＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｉ ｎ １ ０ ０ ９ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ２ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｇ ｙ，Ｎ ｊ ｇ， Ｊ ｇ ， ， ｈ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｔ ｉ ｍ ｅ ｓ Ｎ ｅ ｗ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｃ ｏ． Ｌ ｔ ｄ． Ｚ ｈ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ，Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ４ １ ２ ０ ０ ７， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ烎 ｇ ｙ 烆 Ｚ
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
第４ ０卷 第６期 ２ ０ １ ３年６月
中 国 激 光 Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｏ Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｓ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｊ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０，Ｎ ｏ ． ６ ， ｕ ｎ ｅ２ ０ １ ３ Ｊ
基于 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 生死单元法的长脉冲激光金属打孔仿真
臧彦楠１ 倪晓武１ 陈彦北２
］ 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
；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 －
［ ］ 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
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２
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