三轴联动激光切雕一体机设计【原创含7张CAD图带开题报告】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共23页)
编号：10234902
类型：共享资源
大小：11.28MB
格式：ZIP
上传时间：2018-06-25
上传人：QQ14****9609
认证信息
个人认证
郭**（实名认证）
陕西
IP属地：陕西
100
积分
- 关 键 词：
-
联动
激光
一体机
设计
原创
cad
开题
报告
讲演
呈文
- 资源描述：
-
三轴联动激光切雕一体机设计【含7张CAD图带开题报告】
【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】图纸预览详情如下：
- 内容简介：
-
20外 文 翻 译激光切割锋利的边缘：热应力分析学 生 姓 名 学 号班 级指 导 教 师 专 业 名 称 学 院 名 称 20XX 年 5 月 26 日I摘要检查切割部分的尖锐边缘的激光切割和热应力发展。有限元法用于预测温度场和应 力场，而 X 射 线 衍 射 （ XRD） 技 术 用 于 测 量 切 割 边 缘 周 围 的 残 余 应 力 。 在 模 拟 和 实 验 中 使用 5mm 厚度的低碳钢板。使用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）检查边缘周围的 形态学和冶金学变化。发现当激光束位于该区域时，温度在尖锐的边缘保持高。这又降 低 了 该 区 域 的 冷 却 速 度 并 降 低 了 冯 米 塞 斯 应 力 。 尖 锐 角 处 残 余 应 力 的 大 小 约 为 90MPa， 而 最 大 的 冯 米 塞 斯 应 力 约 为 280MPa， 远 离 尖 角 。 此 外 ， 预 测 的 残 余 应 力 与 实 验 数 据 一 致。关键词 激 光 ； 切 割 ； 钣 金 ； 热 应 力I目 录摘要 .I1 引言 .12 传热分析 .33 热应力建模 .54 有限元模拟 .65 试验 .76 结果与讨论 .107 结论 .15致谢 .17参考文献 .1811 引言激光加工板材广泛应用于工业。高能聚焦光束提供了快速的处理和精确的操作。由于激 光加工涉及高温，激光加工区域产生的温度梯度达到高值。这又导致照射区域中产生热应 力。另外，该过程之后的高冷却速率有助于该区域的应力形成。激光切割锋利的边缘或角落 尤其如此。在这种情况下，边缘和角落产生的残余应力限制了所生产零件的实际使用。因 此，激光切割锋利的边缘和角落的热和应力领域的调查变得必不可少。在 对 激 光 切 割 和 热 加 工 进 行 了 大 量 的 研 究 的 基 础 上 。 Li 和 Sheng 研究了在激光切割陶瓷 过 程 中 确 定 应 力 水 平 和 断 裂 的 平 面 应 力 模 型 1。 他 们 引 入 了 混 合 模 型 来 预 测 裂 缝 萌 生 ， 而 采 用 平 面 应 力 模 型 的 数 值 方 法 被 用 于 应 力 分 析 。 Li 和 Sheng 对激光切割薄板的热影响区和残余 应 力 分 布 进 行 了 数 值 预 测 2。 他 们 分 析 了 切 割 速 度 和 激 光 功 率 对 热 影 响 区 尺 寸 和 产 生 的 残 余 应 力 的 影 响 。 Aloke 等 人 介 绍 了 激 光 切 割 孔 洞 时 的 热 效 应 物 理 模 型 3。 他 们 认 为 与 孔 相 邻 的 激 光 是 塑 性 变 形 的 ， 残 余 应 力 达 到 基 材 的 屈 服 强 度 。 Lu 等人研究了点源热源恒速运动引起 的 无 限 板 应 力 分 布 4。 他 们 指 出 ， 对 于 焊 接 和 切 割 应 用 来 说 ， 应 力 强 度 因 子 都 是 负 值 ， 这 意 味着由热源引起的热场倾向于封闭尖端附近的切口表面。应用弹性热应力模型预测 Modest 和 Mallison 在 陶 瓷 激 光 加 工 过 程 中 的 应 力 场 5。 他 们 预 测 激 光 加 工 过 程 中 弹 性 应 力 场 的 发 展 和衰减。蔡和陈介绍了一种控制骨折的激光切割技术 6。他们使用 Nd： YAG 激光在衬底材 料 表 面 刻 划 凹 槽 裂 纹 ， 同 时 使 用 散 焦 的 CO2 激 光 束 产 生 热 应 力 。 Coelho 等人研究了热塑性 塑 料 的 高 速 激 光 切 割 7。 他 们 利 用 格 林 函 数 法 解 析 了 热 传 导 方 程 ， 同 时 在 加 热 和 冷 却 循 环 过 程 中 适 应 应 力 的 演 变 。 Akarapu 和 Seqall 进行了一个包含消融过程和陶瓷激光切割过程中热 应 力 演 化 的 模 型 研 究 8。 他 们 使 用 xed 网 格 算 法 对 消 融 过 程 进 行 建 模 ， 并 将 开 发 的 模 型 与 概 率 断 裂 模 型 相 结 合 ， 以 评 估 激 光 切 割 过 程 中 的 失 效 概 率 。 Brugan 等人 9 介绍了一种新的方 法来控制裂纹板的快速激光加工。他们采用同步刻痕技术来增强热应力，以便使用同步 CO2 激光沿着预先设计的路径驱动传播裂缝。 Kuo 和 Lin 研究了钠钙玻璃基片的激光切割 10。他 们 引 入 了 基 于 有 限 元 法 （ FEM） 的 非 耦 合 热 弹 性 分 析 来 模 拟 应 力 场 。 Hardjadinata 以及另一位科学及 Doumanidis11 推出了一个新的固体基于通过激光点焊依次连接薄金属箔的自由成 形制造方法，随后对每个层轮廓进行激光切割。他们用有限元方法来评估切割部分的翘曲变 形 和 残 余 应 力 。 Yilbas 等 人 12 研 究 了 硬 质 合 金 刀 具 激 光 处 理 过 程 中 的 热 应 力 发 展 。 他 们 使 用 有 限 元 模 型 来 预 测 激 光 照 射 区 域 的 应 力 场 。 Yilbas 和 Ageeli1316 获得激光诱导热应力的 封闭形式的解决方案。封闭式解决方案受到一维分析的限制。无法使用在切割过程中，在基 底材料的固相中，基于傅立叶模型的瞬态热扩散方程，具有合适的边界条件，可适用于描述 固体中的温度场。温度场可以与材料的热机械响应耦合以确定在激光加工期间切割部分中的 热引起的应力。瞬态热扩散方程可写成笛卡尔坐标系用于激光切割应用。因此，激光器的热 应 力 分 析 的 三 维 模 型 研 究 切 割 过 程 变 得 必 要 。 在 之 前 的 研 究 中 17研 究 了 板 材 激 光 平 面 切 割 的2热应力发展。然而，由此产生的应力水平在切割线上的尖锐边缘和角落被省略。因此，在本 研究中，考虑激光切割厚金属板的尖锐边角。 使用有限元方法预测温度和应力场。预测的 残余应力将模拟与从 X 射线衍射（ XRD）技术获得的数据进行比较。使用扫描电子显微镜（ SEM）检查切割表面周围的形态学和冶金学变化。32 传热分析尽管激光切割过程涉及到惰性辅助气体的撞击，但在分析中假定辅助气体射流的动量效 应被省略。这是因为动量的变化在液体表面协助气体使液体变薄。强化液体对流换热的层表 面，只要液体层的温度保持不变。几乎在衬底材料的熔化温度下。这种情况可以通过对流边 界 来 模 拟 在 切 割 表 面 的 条 件 。 需 要 说 明 的 是 ， 加 热 模 式 可 以 扩 展 到 包 括 蒸 发 加 热 的 情 况 19。 然而，在稳定的激光切割过程中，只有一小部分表面经历蒸发；因此，在自由表面发生的蒸 发传热对固液界面附近的温度场没有显着的影响。由于热应力只是发展在切割过程中，在基 底材料的固相中，基于傅立叶模型的瞬态热扩散方程，具有合适的边界条件，可适用于描述 固体中的温度场。温度场可以与材料的热机械响应耦合以确定在激光加工期间切割部分中的 热引起的应力。瞬态热扩散方程可写成笛卡尔坐标系： DE |(T) + (1)其中 E 是 衬 底 材 料 的 能 量 增 益 ， (kT)、 (/x)(k(T/x)+( /y)( /z)(k(T/z)、（ x,y,z 是坐标 轴 （如图 1a） ） ,So 是体积热源项。假设激光加热源在高斯直径为 “a”的表 面，（ x， y） 平面处为高斯，并且该束在吸收深度沿着 y 轴被吸收。体积来源是： (1 )(2 +2/2)（ 2）Io 是激光峰强度， d 是 吸 收 深 度 ， rf 是表面反射率， x 和 z 是 轴 。 然 而 ， 激 光 加 热 情 况可以通过类似于激光输出功率的占空比的连续脉冲来表示。在这种情况下，激光脉冲形状的 时间变化几乎类似于实验中使用的实际激光脉冲形状（ 50占空比） ，其在时域中呈梯形形 状。在模拟中使用的激光脉冲参数在中给出表格 1，而图 1b 显示了连续激光脉冲的时间变 化。代表连续脉冲的时间函数（ f（ t） ）是 :() =0, = 01, ()0, = （ 3）0, ( + )其中 tr 是脉冲上升时间， tf 是脉冲下降时间， tp 是 脉 冲 长 度 ， tc 是 冷 却 周 期 结 束 。 假 设时间 t = tf+ tc 对应于第二个脉冲的起始时间，则 f(t)在第二个连续脉冲开始时重复。 第二个 脉冲之后的其他连续脉冲可以应用相同的数学参数。在以恒定的扫描速度沿 x 轴移动热源的情况 下（图 1） ，由衬底材料产生的能量增益： DE = 4（ 4） 其 中 E/ t=( ()/ )和 E/ x = ()/ )或者 DE = （ T） （ T）（ 5） 5结 合 等 式 （ 1） 和 （ 5） 可 得 ： （ T） = (T) + （ T） + （6） 应 该 指 出 的 是 ， 在 切 割 分 析 中 ， 由 于 内 部 反 射 被 切 割 表 面 吸 收 ， 所 以 省 略 了 来 自 切 割边缘的激光束的反射。因此，来自照射的激光束的反射损失仅从衬底材料的自由表面发 生。而且，在工件的自由表面（被照射的表面）处，假定对流边界，并且在工件的后侧考 虑对流和辐射边界条件。因此，相应的边界条件是：在自由表面（在 z = 0 的 x/y 平面 上） ，假设对流边界，因此，对应边界条件是：当 z=0（在表面上）时 = ( ) 图 2（a ）典型的激光切割情况和坐标系统 。w 是工件厚度。 （b）占空比为 50的两个连 续脉冲。 应该注意的是，在切割实验中使用了 50的占空比。其中 h 是 传 热 系 数 ， Ts 和 To 分别是表面温度和参考温度。 另外，在 x-y 平面温度远 离表面的一段距离处变得与参考温度相同。 这产生了边界条件:在 x 和 y=时 ， T=T（ To, 固定值）最初，衬底材料被认为处于参考温度（T o） ，因此，初始条件变成：在 t=0 时， T=T（ To,固 定 值 ）有限差分法用于离散方程（6） 。显式方案用于计算温度场。电网独立进行凹痕测试以 确保网格独立的结果。激光切割热源激光切割边缘图 1相 对 强 度占空比=0.5 =加热循环开始时间 =加热循环结束时间时 间 （ ms）6vol3 热应力建模对 于 结 构 性 反 应 ， 有 限 元 素 的 表 述 是 基 于 虚 拟 工 作 的 原 则 。 根据虚拟工作原理（PVW ） ，内部应变能 （ u）的虚拟（非常小的）变化必须由于被施加的载荷（ V） 。 考 虑到应变能在温度变化期间由于身体受限运动而产生的热应力，PVW 产量：uT BTDBdvu=uT BTDth dv (7)vol vol注 意 到 u T 向量是在上述所有术语中常见的一组任意的虚位移，满足上面方程所需 的 条 件 简 化 为 :其中： Ku = TK = vol B DBdvu=单 元 刚 度 矩 阵Fth= BTDthdv=单元热负荷矢量th = =热 应 变 矢 量 =热 膨 胀 系 数 矢 量冯 米 塞 斯 应 力 可 以 由 应 力 张 量 来 计 算 ， 其 定 义 如 下 ： = 3 (8)2 74 有限元模拟激光切割的热力学现象理想化为顺序耦合的单向问题。 对于不具有高度非线性相互作 用的热力耦合情况，负荷转移方法是激光切割的热力学现象理想化为顺序耦合的单向问 题。 对于不具有高度非线性相互作用的热力耦合情况，负荷转移方法是瞬态热分析，然后 进行静态应力分析。 这两个领域是通过在另一个分析中应用一个分析的结果作为负荷进行 耦合的。 使用 ANSYS APDL 编程语言，使用单个有限元网格，使用不同的单元类型创建 单独的热分析和应力分析。 计算过程是读取第一个物理文件进行热分析并求解。 然后读 取下一个物理场进行应力分析，指定要传递的载荷，并解决第二个物理问题。 在当前的工 作中，来自热分析的节点温度在随后的应力分析中被用作“体力” 载荷。 对于热分析，给定 的 结 构 使 用 热 元 素 （ SOLID70） 进 行 建 模 。 SOLID70 具有三维导热能力。 元素有八个节 点，每个节点有一个自由度，温度。 该元素适用于三维，稳态或瞬态热分析。 由于包含 导电固体元素的模型也要在结构上进行分析，因此元素被结构分析中的等效结构元素（例 如 SOLID45） 替 代 。 SOLID45 用于实体结构的三维建模。 元素是由在每个节点处具有三 个自由度的八个节点定义：在节点 x， y 和 z 方向上的平移。 该元件具有塑性，蠕变，膨 胀，应力加强，深度大，应变能力大。移动的热源在切削刃处被建模为移动源，导致指定的温度高于衬底熔化温度。 使用指 定的激光速度和有限元网格尺寸，计算热分析的时间步长。 在每个增量时间步骤，使用 APDL DDELE 和 D 命令将热源的指定温度移动到下一个相邻节点集合 16。 DDELE 命令 删除自由度约束。 但是，在 ANSYS 中删除约束与将其设置为零不同。 删除约束的效果 与 去 激 活 ， 释 放 或 设 置 约 束 “自 由 ”的 效 果 相 同 。目前使用的机械和热性能模拟在中给出表 2。 应该指出的是，目前
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号