《不同模式激光加热反应毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不同模式激光加热反应毕业设计（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、安徽工业大学毕业设计说明书（论文）安徽工业大学本科毕业设计(论文)任务书课题名称不同模式激光加热反应学 院专业班级姓 名学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：主要内容：对不同模式的激光对材料辐照过程中的温度效应及热力效应进行分析。本论文主要采用了有限元软件ANSYS对Al2O3陶瓷模型的建立并且模拟两种模式的激光（高斯形激光和帽顶形激光）对Al2O3陶瓷的加热过程及相关的温度响应分析以及对Al2O3陶瓷扫描的应力响应分析。 要求：1.具有查阅相关文献的能力； 2.熟练使用ANSYS软件对材料的建模，相关参数的设置及激光的加载； 3. 对激光辐照过程进行模拟，对数据进行分析整理，完成相关图表；
2、 指导教师签字： 不同模式激光加热反应摘 要激光与材料的相互作用一直是备受人们关注的问题，从工业上的激光热处理技术，到军事上的激光破坏机理研究，均与之密切相关，它在激光加工应用等领域中的诱人前景，激励着这方面的研究工作不断前进。本文利用有限元理论，对不同模式激光加热Al2O3陶瓷的热传导过程及热应力分布进行了数值模拟,得到了Al2O3陶瓷的温度场和热应力场分布。根据热传导方程和热应力方程，建立了不同模式的激光辐照下中瞬态温度场和热应力场的物理模型。模拟计算了Al2O3陶瓷在不同模式激光照射下的温度场。数值模拟结果表明：吸收的激光能量主要分布在光斑半径以内，因此随着加热时间增加形成的径向温度梯度
3、也越大；陶瓷内部沿轴向不同深度各点的温度随时间增长曲线在加热初始阶段均为S型。 本文的研究结果可为激光切割陶瓷加工过程的数值模拟研究提供参考。关键词 激光加工 Al2O3陶瓷 数值分析 ANSYS 温度场 热应力场DIFFERENT MODES OF LASER HEATING REACTIONABSTRACTLaser-material interaction has always been the concern of issues, from the industrial laser heat treatment technology to the military mechanism
4、of laser damage are closely related to it，its attractive future in the field of laser processing applications inspired the research work in this area continues to advance.In this paper, the heat conduction process of different modes laser heating Al2O3 ceramics is numerical simulated by using the fi
5、nite element method (FEM).the temperature field and thermal stress distribution of Al2O3 ceramics is obtained.The physical model of the transient temperature field and thermal stress field under different modes laser irradiation is established in accordance with classic thermal conduction equation a
6、nd thermal stress equation. This paper simulated the temperature field and the coupled stress field under laser of different modes. Numerical results indicate: the laser energy absorbed mainly distributed within the spot radius, for this reason, The radial temperature gradient formed became larger w
7、hen the heating time increased; the temperature growth curves over time of each point to a different depth along the axial direction in the ceramic internal are all S-type in the initial stage of heating. The results in this article may provide the research method and theory for the numerical simula
8、tion of laser cutting ceramic processing.Keywords: laser process ;Al2O3 ceramics; numerical analysis ;ANSYS; temperature field; thermal stress field;目录摘 要3ABSTRACT4第一章 绪 论81.1 课题研究背景81.2 激光与材料相互作用的研究现状101.3 本文研究工作简介11第二章 有限元理论 激光辐照材料的温度场和应力场理论122.1 有限元理论和ANSYS简介122.1.1 有限元的基本思想122.1.2 有限元法的分析过程132.1
9、.3 ANSYS软件简介132.2 激光辐照材料的温度场理论132.2.1 热导方程与定解条件的理论公式：142.2.2 激光辐照固体材料的理论模型152.3 激光辐照材料的应力场理论162.3.1 平衡微分方程162.3.2 几何方程172.3.3 物理方程172.3.4 热弹性方程20182.3.5 控制方程、初始条件、边界条件2119第三章 不同模式的激光辐照材料的温度场分析203.1 激光和材料的参数203.2 高斯激光的温度场分析203.2.1 热传导模型213.2.2 高斯激光的载人223.2.3 计算结果温度场分布图及分析233.3 帽顶形激光的温度场分析263.3.1 帽顶形激
10、光的载人263.3.2 计算结果、温度分布图及分析263.4 两种模式的激光产生的温度场的比较29第四章 激光辐照材料的应力场分析304.1 模型创建、载入激光304.2 计算应力结果及分析31第五章 结论与展望335.1 结论335.2 展望33致谢34参考文献34附录 1 英文原文36附录 2 译文46第一章 绪 论1.1 课题研究背景自从第一台红宝石激光器1960年诞生以来，激光技术的发展已经过了五十多年的历程，几乎渗透到自然科学研究的每一个领域。如日常生活中的激光打印机、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上，激光被用于切割、焊接、标记与热处理等
11、加工领域。中国的工业激光起步并不比西方国家晚，但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机研究远远落后与发达国家。目前，人们已经研制出各种激光器，如固体激光器、液体激光器、气体激光器、化学激光器、准分子激光器和半导体激光器等。由于激光具有高单色性、高相干性、高方向性、高亮度和高稳定性等一系列突出的优点，使之容易获得很高的光通量密度。一般的固体或气体激光器，可以将激光束绝大部分能量聚焦在激光焦点上，这就是激光作为热加工热源的重要原因之一1。激光与材料的相互作用一直是备受人们关注的问题，从工业上的激光热处理技术，到军事上的激光破坏机理研究，均与之密切相关，它在激光加工应用等领域中的诱
12、人前景，激励着这方面的研究工作不断前进。激光与材料的相互作用，涉及激光物理、传热学、等离子体物理、非线性光学、固体与半导体物理、热力学、连续介质力学等广泛的学科领域， 激光与材料的相互作用既取决于激光特性和材料特性，也与作用的外部环境有关。激光特性包括波长、能量、功率、脉宽、脉冲结构、重复率等，材料特性包括光学材料和光学薄膜的反射率、透过率、吸收系数、热传导率、抗激光损伤强度等光学、热学、力学参数，其中任一种因素对相互作用的过程就是一项重要的研究课题2。当激光作用于材料表面时，入射激光的能量被分解为如下的几个部分:一部分被材料表面反射，一部分被透射，一部分被散射，剩下的一部分则被材料吸收。不同
13、的材料对不同脉宽和强度的激光的吸收机制是有所不同的，大致可以分为:逆韧致吸收、光致电离、多光子吸收、杂质吸收、空穴吸收等，一般而言逆韧致吸收和光致电离这两种机制起主导作用。材料吸收激光能量后，其中的粒子(电子、离子和原子)将获得过剩的能量。这些获得多余能量的粒子由于相互碰撞传递能量，材料的宏观温度将明显升高。当温度升高到熔点后，材料将发生熔融和汽化等现象。当作用激光强度足够高时，还会产生材料的烧蚀、等离子屏蔽和材料的冲击破坏等。因此，可利用激光束对工件进行刻标、切割、钻孔、焊接、热处理、重熔、表面合金等，应用前景远大3-5。热处理在材料技术中有着广泛的应用，诸如金属的软化或硬化，半导体参杂扩散
14、，陶瓷等脆性材料的切割，混合物的复合形成等，所以研究激光与物质的相互作用的热效应意义重大。激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过程。以激光作为加工能源，在硬脆性陶瓷加工方面的发展潜力已见端倪6：它可以实现无接触式加工，减少了因接触应力对陶瓷带来的损伤；陶瓷对激光具有较高的吸收率(氧化物陶瓷对10.6m波长激光的最高吸收率可达80以上)，聚焦的高能激光束作用于陶瓷局部区域的能量可超过108 J/cm2，瞬间就可使材料熔化蒸发，实现高效率加工；由于聚焦光斑小，产生的热影响区小，可以达到精密加工的要求。由于陶瓷是由共价键、离子键或两者混合化学键结合的物质，晶体间化学键方向性
15、强，因而具有高硬度和高脆性的本征特性，相对于金属材料，即使是高精密陶瓷，其显微结构均匀度亦较差，严重降低了材料的抗热震性，常温下对剪切应力的变形阻力很大，极易形成裂纹、崩豁甚至于材料碎裂。因此，高效无损伤激光切割陶瓷类高硬脆无机非金属材料一直是一个的且亟待解决的问题7,8。研究激光与物质热作用过程的理论方法主要有解析法和数值计算法两种。由于涉及到材料熔融和汽化等相变过程的问题非常复杂，理论解析本解比较困难，甚至于根本无法求解。因此一般采用数值方法来处理相关问题。随着计算技术的飞速发展，人们逐渐提出了一些求解激光熔融问题控制方程的新方法，如将激光作用视为点热源、作用对象视为半无限大介质、采用一维近似及假定一个简单的速度场而形成的解析或者半解析法等。而其中的数值计算方法可已采用有限差分法(FDM)和有限单元法(FEM)等，有限单元法包含边界元法、有限分析法。对激光与物质相互作用的数值计算就是从特定的物理模型出发，用计算机进行数值计算或模拟，
