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元胞自动机方法在激光加工中的模拟计算应用研究

周松华  
【摘要】:本文将元胞自动机方法引入激光加工领域,对激光切割金属厚板和激光立体成形进行研究,包括工艺机理、模拟计算以及几何轮廓尺寸预测等。激光切割数值模拟研究中,实现熔融液体流动、热传导等不同效应,探究厚板切割机理和切缝轮廓变化规律。激光立体成形模拟研究中,实现液体表面张力等作用和效应,探究成形机理和成形轮廓变化规律。主要研究内容如下:1、分别建立激光切割元胞自动机模型和激光立体成形元胞自动机模型。模型充分考虑激光加工过程中传导、对流、辐射和相变潜热等热量传递与损失,以及材料对激光束吸收效率、光斑形状尺寸、激光能量衰减、辅助气体影响和熔融液体流动等各种复杂因素。基于模型,编写C++程序,实现对直线激光切割和同轴送粉式激光立体成形的数值模拟计算。2、开展激光切割实验。首先进行薄板切割,在不同工艺条件下切割3mm低碳钢薄板。然后对3mm、5mm、10mm、16mm和20mm五种不同厚度的低碳钢板进行切割。测量切缝宽度与轮廓锥度,探究金属厚板切缝形貌轮廓变化规律。3、开展激光立体成形实验。首先在不同激光功率和送粉速率条件下,进行镍基合金粉末单道直线成形实验。然后进行HLSA-100粉末多道和多层成形实验。测量成形高度与宽度,探究粉末沉积成形轮廓变化规律。4、对比分析实验与数值模拟计算结果,均符合较好。激光切割薄板实验初步验证了模型可靠性。激光切割厚板实验中,随着板厚的增大,“切缝上窄下宽”愈加显著,符合理论分析中的熔融液体流动等效应。镍基合金粉末单道直线成形实验初步验证了立体成形模拟计算的有效。HSLA-100粉末多道和多层成形实验中,成形几何轮廓尺寸误差很小。实验充分验证了激光切割和激光立体成形元胞自动机模型可靠性强,适用范围广,为开发激光加工质量预测和工艺参数智能配置系统奠定基础。


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