ANSYS生死单元法在长脉冲激光金属打孔仿真中的应用

"该文基于ANSYS软件，利用生死单元法对长脉冲激光金属打孔过程进行了数值仿真。研究了脉宽为毫秒级别的单脉冲激光逆重力方向对金属打孔的效应，建立了考虑熔融液体喷溅的模型，并通过有限元法和有限差分法对热传导方程和流体运动方程进行耦合求解，分析了温度场和流场的变化。应用生死单元法处理熔融液体喷溅现象，模拟了孔洞内壁和洞口的形状，结果显示洞底内壁有不规则凹凸，洞口呈现喇叭状，这些特征与实验观察结果一致。" 本文详细探讨了激光技术在金属打孔中的应用，特别是针对长脉冲激光的仿真研究。在激光打孔过程中，激光能量被吸收导致金属靶材表面快速加热，产生气化压力，这个压力会作用于熔融层，引发熔融液体的喷溅。为了准确模拟这一现象，研究者采用了ANSYS软件，这是一个广泛应用于工程领域的有限元分析工具，通过生死单元法来模拟熔融液体的动态行为。 生死单元法是有限元方法的一个扩展，它允许在计算过程中动态地增加或移除单元，以适应物质状态的变化。在这个问题中，当熔融液体喷溅时，相关单元在计算中被“杀死”，不再参与后续的求解，这样可以更真实地反映打孔过程中熔融液体的动态流动和消失。 在数值模拟中，研究人员分别用有限元法求解二维轴对称的热传导方程，描述激光照射下金属内部的温度分布，以及有限差分法求解一维欧拉运动方程，模拟流体的运动。这两部分的耦合求解使得模型能够同时考虑热效应和流体动力学效应，从而得到更精确的打孔过程模拟。 通过计算，得到了不同时间点的温度场和流场图像，这有助于理解打孔过程中的物理机制。此外，模拟结果显示，孔洞内壁尤其是靠近洞底的部分呈现出不规则的凹凸，这是由于熔融液体在洞底附近流动中断造成的。而洞口呈喇叭状，这主要归因于洞口两侧熔融液体间的表面张力作用。这些模拟结果与实验观测到的现象相吻合，证明了模型的有效性。 这项工作揭示了长脉冲激光金属打孔过程中的关键物理现象，并通过数值模拟提供了深入的理解。对于优化激光加工工艺、提高打孔质量和效率，以及设计新型激光加工设备具有重要的理论指导意义。