基于ANSYS模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法与流程

基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法
技术领域
1.本发明涉及激光冲击锻打领域，尤其涉及一种基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法。


背景技术：

2.激光熔覆技术作为代表性的增材制造技术，能将合适的材料涂覆在失效金属的表面上形成熔覆层改善金属的耐磨性，硬度，强度和表面质量等性能，但传统激光熔覆层在冷却过程中与基体之间有较大的温度梯度且两者的收缩速率不同，导致熔覆层内部产生较大的残余拉应力，另外金属冷却过程中相组织的转变和生长也引起金属内部的组织应力，这些应力的叠加造成熔覆层内部气孔和微裂纹的产生。
3.为了减少熔覆层内部的缺陷，双激光冲击锻打技术在传统激光熔覆技术的基础上，在熔覆层处于高温状态时引入激光冲击的锻打力作用，使熔覆层的组织结构由铸态转变为锻态，熔覆层在快速冷却过程中产生的微裂纹在压应力的作用下焊合，并在压应力的作用下使熔覆层的组织晶粒细化，提高熔覆层的使用寿命，然而熔覆层冷却十分迅速，内部温度场变化、热量传导过程在实际加工过程中无法直接测量和实现可视化，难以合理地控制锻打激光的能量、脉宽、光斑大小、以及与熔覆激光的相对位置等工艺参数，无法很好匹配激光熔覆效果的同时保证激光冲击锻打效果，或者保证激光冲击锻打效果的同时确保熔覆质量，使得熔覆层在其锻造温度区间内得到充分锻造，由此，两者的协同控制以及加工参数匹配仍然是限制加工质量的最大问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，以解决上述背景技术中的一个或多个技术问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤s100：简化双激光冲击锻打加工中熔覆层热传导数值模拟条件；
8.步骤s200：选择有限元单元类型，并定义有限元单元属性；
9.步骤s300：建立熔覆基体和熔覆层的三维几何模型形成熔覆基体模型和熔覆层模型，并建立空间直角坐标系；
10.步骤s400：采用生死单元法去除熔覆层模型中的有限元单元并逐步激活；
11.步骤s500：建立熔池热源模型，计算得到有限元单元激活时各节点输入的的热量载荷；
12.步骤s600：在最新激活的有限元单元各节点上施加热量载荷，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度；
13.步骤s700：选取熔覆层模型中的瞬态温度数据采集点绘制温度-时间变化曲线，得
到熔覆层的合理锻打时间，对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化；
14.步骤s800：将温度处于合理锻打温度区间的有限元单元作为合理锻打区域，根据合理锻打区域的大小随时间的变化以及合理锻打区域与最新激活的有限元单元的相对位置，对实际双激光冲击锻打加工的参数以及锻打激光和熔覆激光的相对距离进行优化。
15.优选的，步骤s400包括以下步骤：
16.步骤s401：将熔覆层有限元单元的密度、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比的值设置为0；
17.步骤s402：根据实际加工过程中熔覆激光的行进路线、熔覆层的截面尺寸和生长速率计算得到熔覆层模型有限元单元激活的先后顺序和时间间隔；
18.步骤s403：按步骤s402计算得到的有限元单元激活的先后顺序和时间间隔逐个将熔覆层的有限元单元的质量、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比恢复为原始值。
19.优选的，步骤s600包括以下步骤：
20.步骤s601：通过温度场分析的热平衡定理和非线性瞬态热传导方程并根据步骤s100简化后的热传导数值模拟条件，设定热传导计算初始条件与边界条件；
21.步骤s602：在最新激活的有限元单元各节点上施加热量载荷；
22.步骤s603：代入熔覆层模型进行求解，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度。
23.优选的，步骤s601中，设定热传导计算初始条件为：以有限元单元激活时刻为热传导开始时间t＝0，基体初始温度为环境温度：
24.t|
t＝0
＝293k
25.设定热传导计算边界条件为：基体与工作台无热量交换，为绝热边界：
[0026][0027]
式中为材料温度沿熔覆层表面法向的偏导数；λ为热导率。
[0028]
优选的，所述温度场分析的热平衡定理为：
[0029]
在任意时刻，从熔覆层单位面积向基体内部传递的热量等于熔覆层单位面积对流换热向外界散发的热量以及基体单位面积通过表面辐射向外界散发的热量之和减去熔覆层单位面积吸收激光束的能量，即：
[0030][0031]
式中，qf为对流换热，qf＝hf(t
w-te)，hf为对流换热系数；qr为辐射散热，ε为基体表面辐射率，σ为史蒂芬森玻尔兹曼常数， 5.67
×
10-8
w/(m
2 k4)，tw为基体表面温度；te为环境温度；η为基体与熔覆层材料的激光吸收率；q(x,y,z)为激光束的能量密度，即单位时间内单位截面积上流过的热量；
[0032]
温度场分析的非线性瞬态热传导方程为：
[0033][0034]
式中，λ
x
、λy、λz为材料沿x、y、z三个方向的热导率；ρ(t)为材料密度； c(t)为材料比热容；h(t)为材料相变潜热；t为温度分布函数t(x,y,z,t)；t为热传导时间。
[0035]
优选的，步骤s700包括以下步骤：
[0036]
步骤s710：根据实际加工过程中单道加工时熔覆层的宽度和厚度，将熔覆层模型等距划分成m层n道；
[0037]
步骤s720：选取合适的单元节点作为瞬态温度数据采集点，得到各道、各层区域在激光熔覆过程中的温度-时间变化曲线；
[0038]
步骤s730：根据熔覆层材料的合理锻打温度区间在各道、各层区域的温度
‑ꢀ
时间变化曲线上进行截取，选取温度-时间变化曲线沿时间正轴方向第一段斜率为负的截取曲线所对应的时间差值作为熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间；
[0039]
步骤s740：通过步骤s730得到的熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化。
[0040]
优选的，步骤s720包括以下步骤：
[0041]
步骤s721：在熔覆层模型的每道上等距截取多段，熔覆层模型每段的中心节点作为数据采集点；将熔覆层模型的各段采集温度值的平均值作为单道区域的温度值；
[0042]
步骤s722：将熔覆层模型每道的中心节点作为数据采集点，将熔覆层模型的各道采集温度值的平均值作为单层区域的温度值；
[0043]
步骤s723：将各时间点的温度值光滑连接后得到该区域的温度-时间变化曲线。
[0044]
优选的，步骤s730中所述合理的锻打温度区间设定为：始锻温度低于该材料的熔点，终锻温度高于该材料的再结晶温度。
[0045]
优选的，锻打激光加工参数的优化方法为：
[0046]
若某道或某层区域的合理锻打时间比该有限元单元激活的时间间隔更长，则降低在该道或该层区域的锻打激光和熔覆激光的行进速率；
[0047]
若合理锻打区域在坐标轴x0y平面投影面积大于锻打激光的光斑直径，则增大锻打激光的光斑；
[0048]
若合理锻打区域在z轴上的厚度大于熔覆层模型单层的厚度，则增加锻打激光的激光功率；
[0049]
将所有时间点的合理锻打区域的中心单元节点连接起来，得到锻打激光优化的行进路线；
[0050]
取所有合理锻打区域中心单元节点与最新激活的有限元单元中心单元节点的距离平均值作为锻打激光和熔覆激光的相对距离。
[0051]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0052]
(1)本发明采用ansys数值模拟软件创新性地实现对激光熔覆过程的模拟，对难以测量的激光熔覆层热传导过程进行精确高效的模拟，可实现对激光熔覆层热传导过程的可视化监测；
[0053]
(2)本发明可以通过非试验的方式对双激光冲击锻打参数进行优化，节省了大量的时间和成本，具有极大的经济效益和社会效益；
[0054]
(3)采用本发明方法得出的数值模拟结果可以直接指导实际加工，对提高产品，尤其是焊缝的疲劳性能和力学性能，具有十分高效、有益的作用。
附图说明
[0055]
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0056]
图1是本发明其中一个实施例的总体方法流程图；
[0057]
图2是本发明其中一个实施例双激光冲击锻打示意图；
[0058]
图3是本发明其中一个实施例的数值模拟示意图。
[0059]
上述附图中的标号说明：
[0060]
1-激光锻打后的熔覆层，2-锻打激光光束，3-激光锻打前的熔覆层，4
‑ꢀ
熔覆激光光束，5-金属粉末，6-熔池，7-熔覆基体，8-熔覆基体有限元单元， 9-未激活的熔覆层有限元单元，10-激活后的熔覆层有限元单元，11-合理锻打区域，12-最新激活的有限元单元，13-节点，14-笛卡尔直角坐标系，15
‑ꢀ
熔覆层模型。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0062]
本实施例的一种基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，参考附图1-3，该包括以下步骤：
[0063]
步骤s100：为了排除干扰因素，提升数值模拟的运算速度，相对于实际加工的复杂情况简化双激光冲击锻打加工中熔覆层热传导数值模拟条件；
[0064]
步骤s200：根据数值模拟所需计算速度与精度确定熔覆基体的有限元单元和熔覆层的有限元单元的节点数量与各节点的自由度，确定对应的熔覆基体有限元单元8的单元类型以及熔覆层有限元单元的单元类型；
[0065]
通过红外温度测量仪测出在实际加工过程中熔覆层的温度变化范围，在熔覆基体和熔覆层材料的物理参数表中查找处于熔覆层温度变化范围内不同温度下熔覆基体与熔覆层材料的密度、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比的数值，通过插值法获得上述物理参数随温度变化的连续函数，根据物理参数随温度变化的连续函数对熔覆基体有限元单元的属性以及熔覆层有限元单元的属性进行定义；
[0066]
步骤s300：根据实际双激光冲击锻打加工过程中熔覆基体和熔覆层的形状尺寸在ansys软件中建立相应规格尺寸的熔覆基体和熔覆层的三维几何模型形成熔覆基体模型和熔覆层模型15，然后根据数值模拟所需计算速度与精度确定网格尺寸，对熔覆基体模型和熔覆层模型进行网格划分并建立笛卡尔空间直角坐标系14；
[0067]
步骤s400：采用生死单元法在熔覆层模型中去除所有有限元单元，然后根据实际加工过程中熔覆激光的行进路线、熔覆层的截面尺寸和生长速率计算得到熔覆层模型有限元单元激活的先后顺序和时间间隔并逐步激活未激活的有限元单元9，以模拟在熔覆激光作用下金属粉末熔化后逐步填充形成熔覆层的过程，激活后的熔覆层有限元单元10紧接着参与之后的热传导数值模拟计算；熔覆激光作用下金属粉末熔化后逐步填充形成熔覆层的过程参考附图2，熔覆激光光束4和金属粉末5在熔覆基体7上形成熔池6，熔池6固化形成激光锻打前的熔覆层3，激光锻打前的熔覆层3被锻打激光光束2锻打后最终形成激光锻打后
的熔覆层1。
[0068]
步骤s500：根据熔覆激光光斑的形状大小、能量分布，建立合适的熔池热源模型，再将激光功率、熔覆基体和熔覆层材料的激光吸收率代入熔池热源模型模型计算得到激活的熔覆层模型有限元单元各节点13的热量载荷。
[0069]
步骤s600：每次激活新的有限元单元后，在最新激活的有限元单元12各节点上施加热量载荷，代入熔覆层有限元模型进行求解，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度；
[0070]
步骤s700：选取熔覆层模型中的瞬态温度数据采集点绘制温度-时间变化曲线，得到熔覆层的合理锻打时间，对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化；
[0071]
步骤s800：在熔覆层热传导数值模拟过程中，将温度处于合理锻打温度区间的有限元单元作为合理锻打区域11并在ansys软件中用绿色高亮显示，正在激活的有限元单元12则用红色高亮显示，以将合理锻打区域与正在激活的有限元单元区域在ansys软件中作区分；根据绿色高亮区域范围大小随时间的变化以及绿色高亮区域与红色高亮区域的相对位置，对分别对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光的激光功率、光斑大小、行进路线以及锻打激光和熔覆激光的相对距离进行优化；
[0072]
步骤s900：判断激光熔覆与锻打效果，若优化结果符合加工要求则结束数值模拟，若不符合加工要求，则返回步骤s2重新进行模拟和优化分析。
[0073]
优选的，步骤s1中对熔覆层热传导数值模拟简化的条件有：
[0074]
(a)将基体材料与金属粉末材料设置为具有各向同性的同种材料；
[0075]
(b)忽略基体表面和金属粉末熔化后形成的熔池内部流体的流动；
[0076]
(c)忽略金属粉末熔覆过程中的气化作用；
[0077]
(d)忽略熔池内部因元素扩散而导致的物理性质和化学性质的改变；
[0078]
(e)忽略基体与加工平台间因温度差造成的热传导；
[0079]
(f)忽略激光能量损耗，即假定激光能量被金属粉末和基体材料完全吸收并用于升温。
[0080]
优选的，步骤s4具体包括以下步骤：
[0081]
步骤s401：将熔覆层模型有限元单元的密度、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比乘上一个极小的因子(如1
×
10-6
)，使它们的值为0或近似为0，此时熔覆层有限元单元可视为不存在，即完成去除所有有限元单元的处理；
[0082]
步骤s402：然后根据实际加工过程中熔覆激光的行进路线、熔覆层的截面尺寸和生长速率计算得到熔覆层模型有限元单元激活的先后顺序和时间间隔；
[0083]
步骤s403：按步骤s402计算得到的先后顺序和时间间隔将熔覆层有限元单元的质量、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比恢复为原值，逐步激活熔池所在处的有限元单元，由此来模拟熔覆激光作用下金属粉末熔化后逐步填充形成熔覆层的过程，被激活的熔覆层有限元单元紧接着参与之后的热传导数值模拟计算。
[0084]
优选的，步骤s600包括以下步骤：
[0085]
步骤s601：通过温度场分析的热平衡定理和非线性瞬态热传导方程并根据步骤s100简化后的热传导数值模拟条件，设定热传导计算初始条件与边界条件；
[0086]
步骤s602：在正在激活的有限元单元各节点上施加热量载荷；
[0087]
步骤s603：代入熔覆层模型进行求解，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度。
[0088]
进一步的，所述步骤s6中设定热传导计算初始条件，以有限元单元12“激活”时刻为热传导开始时间t＝0，基体7初始温度为环境温度：
[0089]
t|
t＝0
＝293k
[0090]
设定热传导计算边界条件，基体7与工作台无热量交换，为绝热边界：
[0091][0092]
式中为材料温度沿熔覆层3表面法向的偏导数；λ为热导率。
[0093]
进一步的，所述步骤s6中参考温度场分析的热平衡定理，即在任意时刻，从熔覆层单位面积向熔覆基体内部传递的热量等于熔覆层单位面积对流换热向外界散发的热量以及熔覆基体单位面积通过表面辐射向外界散发的热量之和减去熔覆层单位面积吸收激光束的能量，即：
[0094][0095]
式中，qf为对流换热，qf＝hf(t
w-te)，hf为对流换热系数；qr为辐射散热，ε为基体表面辐射率，σ为史蒂芬森玻尔兹曼常数， 5.67
×
10-8
w/(m
2 k4)，tw为熔覆基体表面温度；te为环境温度；η为熔覆基体与熔覆层材料的激光吸收率；q(x,y,z)为熔覆激光束的能量密度，即单位时间内单位截面积上流过的热量。
[0096]
进一步的，温度场分析的非线性瞬态热传导方程为：
[0097][0098]
式中，λ
x
、λy、λz为材料沿x、y、z三个方向的热导率；ρ(t)为材料密度；c(t)为材料比热容；h(t)为材料相变潜热；t为温度分布函数t(x,y,z,t)；t为热传导时间。
[0099]
优选的，如图3所示，所述步骤s7具体包括以下步骤：
[0100]
步骤s710：根据实际加工过程中单道加工时熔覆层的宽度和厚度，将熔覆层模型15等距划分成m层n道；在熔覆层模型有限元单元堆叠而成的网格阵列中，沿z轴厚度方向将熔覆层模型再划分为3层，每一层再沿x轴方向划分为3 列，每1列为1道；
[0101]
步骤s720：选取合适的单元节点作为瞬态温度数据采集点，得到各道、各层区域在激光熔覆过程中的温度-时间变化曲线；
[0102]
步骤s730：根据熔覆层材料的合理锻打温度区间在各道、各层区域的温度
‑ꢀ
时间变化曲线上进行截取，选取温度-时间变化曲线沿时间正轴方向第一段斜率为负的截取曲线所对应的时间差值作为熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间；
[0103]
步骤s740：通过步骤s730得到的熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化。
[0104]
进一步的，步骤720具体还包括以下步骤：
[0105]
步骤s721：在熔覆层模型的每道上等距截取4段，熔覆层模型每段的中心节点作为
数据采集点；将熔覆层模型的各段采集温度值的平均值作为单道区域的温度值；
[0106]
步骤s722：将熔覆层模型每道的中心节点作为数据采集点，将熔覆层模型的各道采集温度值的平均值作为单层区域的温度值；
[0107]
步骤s723：将各时间点的温度值光滑连接后得到该区域的温度-时间变化曲线。
[0108]
进一步的，所述步骤s730中合理锻打温度区间的确定，是结合熔覆层材料的合金相图、塑性图、变形抗力图和再结晶图，从塑性、变形抗力和锻件组织性能三个方面进行综合分析获得，当温度过高时，金属材料过热产生奥氏体晶粒极速长大，氧原子与其形成网状氧化物及易熔氧化物共晶，导致晶粒之间的结合力降低，此时锻打易使金属材料产生开裂；当温度过低时，金属材料不具备足够的塑性产生变形，没有锻打后的强化效果，应保证材料在温度区间内具有较高的塑性和较小的刚度，由此，合理的锻打温度区间为始锻温度低于该材料的熔点，终锻温度必须高于该材料再结晶温度。
[0109]
优选的，所述步骤s8中双激光锻打加工参数的优化方法为：
[0110]
(a)若某道或某层区域的合理锻打时间比该有限元单元激活的时间间隔更长，则在该道或该层区域的实际加工过程中进行锻打激光和熔覆激光的行进速率的调整降低2～10％，以将锻打激光和熔覆激光的行进速率调整至与模拟结果接近；
[0111]
(b)如果合理锻打区域(即绿色高亮区域)在坐标轴x0y平面投影面积大于锻打激光的光斑直径，则在实际加工过程中将锻打激光的光斑大小增大 5～10％，以使锻打激光的光斑能覆盖合理锻打区域。
[0112]
(c)如果合理锻打区域在z轴上的厚度大于熔覆层模型15单层的厚度，则在实际加工过程中对锻打激光的激光功率增加2～4％，以保证锻打效果；
[0113]
(d)最后将所有时间点的合理锻打区域的中心单元节点连接起来，得到锻打激光优化的行进路线；
[0114]
(e)取所有时间点合理锻打区域中心单元节点与最新激活的有限元单元中心单元节点的距离平均值作为实际加工过程中锻打激光和熔覆激光的相对距离。
[0115]
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s100：简化双激光冲击锻打加工中熔覆层热传导数值模拟条件；步骤s200：选择有限元单元类型，并定义有限元单元属性；步骤s300：建立熔覆基体和熔覆层的三维几何模型形成熔覆基体模型和熔覆层模型，并建立空间直角坐标系；步骤s400：采用生死单元法去除熔覆层模型中的有限元单元并逐步激活；步骤s500：建立熔池热源模型，计算得到有限元单元激活时各节点输入的的热量载荷；步骤s600：在最新激活的有限元单元各节点上施加热量载荷，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度；步骤s700：选取熔覆层模型中的瞬态温度数据采集点绘制温度-时间变化曲线，得到熔覆层的合理锻打时间，对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化；步骤s800：将温度处于合理锻打温度区间的有限元单元作为合理锻打区域，根据合理锻打区域的大小随时间的变化以及合理锻打区域与最新激活的有限元单元的相对位置，对实际双激光冲击锻打加工的参数以及锻打激光和熔覆激光的相对距离进行优化。2.根据权利要求1所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s400包括以下步骤：步骤s401：将熔覆层有限元单元的密度、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比的值设置为0；步骤s402：根据实际加工过程中熔覆激光的行进路线、熔覆层的截面尺寸和生长速率计算得到熔覆层模型有限元单元激活的先后顺序和时间间隔；步骤s403：按步骤s402计算得到的有限元单元激活的先后顺序和时间间隔逐个将熔覆层的有限元单元的质量、比热容、导热系数、弹性模量、线膨胀系数和泊松比恢复为原始值。3.根据权利要求1所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s600包括以下步骤：步骤s601：通过温度场分析的热平衡定理和非线性瞬态热传导方程并根据步骤s100简化后的热传导数值模拟条件，设定热传导计算初始条件与边界条件；步骤s602：在最新激活的有限元单元各节点上施加热量载荷；步骤s603：代入熔覆层模型进行求解，得到熔覆层模型节点在激光熔覆过程中的瞬态温度。4.根据权利要求3所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s601中，设定热传导计算初始条件为：以有限元单元激活时刻为热传导开始时间t＝0，基体初始温度为环境温度：t|
t＝0
＝293k设定热传导计算边界条件为：基体与工作台无热量交换，为绝热边界：式中为材料温度沿熔覆层表面法向的偏导数；λ为热导率。
5.根据权利要求3所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，所述温度场分析的热平衡定理为：在任意时刻，从熔覆层单位面积向基体内部传递的热量等于熔覆层单位面积对流换热向外界散发的热量以及基体单位面积通过表面辐射向外界散发的热量之和减去熔覆层单位面积吸收激光束的能量，即：式中，q
f
为对流换热，q
f
＝h
f
(t
w-t
e
)，h
f
为对流换热系数；q
r
为辐射散热，ε为基体表面辐射率，σ为史蒂芬森玻尔兹曼常数，5.67
×
10-8
w/(m
2 k4)，t
w
为基体表面温度；t
e
为环境温度；η为基体与熔覆层材料的激光吸收率；q(x,y,z)为激光束的能量密度，即单位时间内单位截面积上流过的热量；温度场分析的非线性瞬态热传导方程为：式中，λ
x
、λ
y
、λ
z
为材料沿x、y、z三个方向的热导率；ρ(t)为材料密度；c(t)为材料比热容；h(t)为材料相变潜热；t为温度分布函数t(x,y,z,t)；t为热传导时间。6.根据权利要求1所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s700包括以下步骤：步骤s710：根据实际加工过程中单道加工时熔覆层的宽度和厚度，将熔覆层模型等距划分成m层n道；步骤s720：选取合适的单元节点作为瞬态温度数据采集点，得到各道、各层区域在激光熔覆过程中的温度-时间变化曲线；步骤s730：根据熔覆层材料的合理锻打温度区间在各道、各层区域的温度-时间变化曲线上进行截取，选取温度-时间变化曲线沿时间正轴方向第一段斜率为负的截取曲线所对应的时间差值作为熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间；步骤s740：通过步骤s730得到的熔覆层各道、各层区域的合理锻打时间对实际双激光冲击锻打加工过程中锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化。7.根据权利要求6所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s720包括以下步骤：步骤s721：在熔覆层模型的每道上等距截取多段，熔覆层模型每段的中心节点作为数据采集点；将熔覆层模型的各段采集温度值的平均值作为单道区域的温度值；步骤s722：将熔覆层模型每道的中心节点作为数据采集点，将熔覆层模型的各道采集温度值的平均值作为单层区域的温度值；步骤s723：将各时间点的温度值光滑连接后得到该区域的温度-时间变化曲线。8.根据权利要求6所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，其特征在于，步骤s730中所述合理的锻打温度区间设定为：始锻温度低于该材料的熔点，终锻温度高于该材料的再结晶温度。9.根据权利要求1所述的基于ansys模拟热传导过程的双激光冲击锻打加工优化方法，
其特征在于，锻打激光加工参数的优化方法为：若某道或某层区域的合理锻打时间比该有限元单元激活的时间间隔更长，则降低在该道或该层区域的锻打激光和熔覆激光的行进速率；若合理锻打区域在坐标轴x0y平面投影面积大于锻打激光的光斑直径，则增大锻打激光的光斑；若合理锻打区域在z轴上的厚度大于熔覆层模型单层的厚度，则增加锻打激光的激光功率；将所有时间点的合理锻打区域的中心单元节点连接起来，得到锻打激光优化的行进路线；取所有合理锻打区域中心单元节点与最新激活的有限元单元中心单元节点的距离平均值作为锻打激光和熔覆激光的相对距离。

技术总结
本发明公开了基于ANSYS数值模拟激光熔覆层热传导过程优化双激光冲击锻打加工参数的方法，该方法包括简化模拟条件；选择并定义有限元单元；建立熔覆基体和熔覆层的三维几何模型；采用生死单元法去除熔覆层模型中的有限元单元并逐步激活；计算得到有限元单元激活时各节点输入的热量载荷；得到熔覆层模型已激活单元节点在激光熔覆过程中的瞬态温度；得到熔覆层的合理锻打时间，对锻打激光和熔覆激光的行进速度进行优化；根据合理锻打区域的大小随时间的变化以及合理锻打区域与最新激活的有限元单元的相对位置，对实际双激光冲击锻打加工的参数以及锻打激光和熔覆激光的相对距离进行优化。由此实现对激光熔覆层热传导过程的可视化监测。视化监测。视化监测。


技术研发人员：林超辉 张永康 余龙溦 吴合槟 汤洋
受保护的技术使用者：广东镭奔激光科技有限公司
技术研发日：2021.09.22
技术公布日：2022/3/8