脆性材料激光热应力切割的仿真与路径控制研究

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为了使脆性材料板的激光热应力切割得以完成并提高切割质量,提出了切割过程的仿真及裂纹走向控制的迭代法。利用有限元法分析脆性材料板在激光扫描过程中的瞬态热传导,求得瞬态温度场,按热弹性平面应力理论分析热应力场,根据断裂准则并采用节点松弛法模拟板材的开裂。通过该方法首先仿真分析了板材的对称切割过程,根据所导致的温度最高值和板材的开裂情况,研究了激光功率和激光扫描速度这两个关键参数对切割的影响,并给出了可完成连续切割的参数范围。对于非对称直线及曲线切割的情况,因其属于复型断裂问题,激光扫描路径与裂纹扩展路径将不一致,为此,建立了激光扫描路径的优化迭代方法。该方法在裂纹扩展分析时,强制其按预定路径扩展,通过每个扩展步按最大周向应力准则(MTS)预测的扩展方向与强制的扩展方向的角度差,来估计两者之间的路径的偏差,从而给出修正激光扫描路径的迭代公式。通过迭代,使得每个扩展步裂纹扩展的预测方向与强制的方向一致,以达到精确切割得目的。文中给出有关的算例,结果表明,通过本文仿真分析方法和路径迭代法,可以优化调节激光热应力切割中激光功率和扫描速度等激光参数及优化激光扫描路径,从而有效地控制切割、为高精度切割打下基础。
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