基于LevelSet方法的小孔和熔池动态形成过程模拟研究

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1、学校代号：10532学密号：S10021131级：公开湖南大学硕士学位论文基于Level—Set方法的小孑L和熔池动态形成过程模拟研究堂僮由请厶姓名；史垫垃昱!

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3、RukunB．E．(TangshanNormalUniversity)2010AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringMechanicalEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZHANGYiMarch，2013㈣9Ⅲ8㈣2吣恰㈣5洲3㈣Z㈣Y湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈

4、交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：史西砷日期舢年乒月2R学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检

5、索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：更、由砷导师签名：孝p，良钊。日期：为廖年q-．j目2日同期：如B年≯月2I：t基于LevelSet方法的小孔和熔池动态形成过程模拟研究摘要激光焊接在航空航天、汽车、铁路、大型舰船等国民经济领域中广泛应用，但激光深熔焊接过程物理现象非常复杂，目前学术界对焊接中小孔及熔池动态形成机理的理解尚不清楚。围绕上述关键基础问题，本文在总结激光深熔焊接现有研究

6、成果的基础之上，建立了基于Level．Set方法的小孔和熔池动态形成过程三维仿真模型，该模型可实现对焊接过程中运动气液界面的追踪，从而得到焊接小孔和熔池的瞬态形貌。本文主要研究了激光深熔焊接过程中小孔和熔池动态的形成过程，模型中考虑了自由界面演化、表面蒸发、Knudsen层、均值沸腾以及光束在孔内多次反射传输等因素。同时，本文还理论分析和模拟研究了焊接过程中小孔和熔池动态形成阶段的等离子体特征参量，如温度分布、功率密度分布，压强分布及速度分布。首先，本文构建了基于Level—Set方法界面追踪模型，对Leve

7、l—Set方法在激光焊接中的应用做了模型化公式推导，包括Level．Set方程的离散化、运动界面的法线与曲率的演算、窄带化的自适应网格理论和重新初始化。其次，构建了焊接小孔形成数值模型，采用Level—Set方法追踪气液界面的运动，采用混合连续模型追踪固液界面的运动。通过Navier．Stokes方程推导出气液界面处动量的边界条件，考虑了导致小孔和熔池形成的两个主要的驱动力．热毛细力和金属蒸汽的反冲压力。通过将同工艺参数下计算得到的小孔和熔池仿真结果与同轴在线监测装置拍摄得到的小孔及熔池对比，小孔直径与熔池宽

8、度误差分别为8％和6．6％，结果证明该模型较准确的反映了焊接小孔及熔池动态形成。再次，通过界面形貌、金属蒸汽流场、孔壁功率密度和温度分布等方面，研究了激光深熔焊接小孔和熔池的瞬态形貌特征及动态形成过程。结果表明：焊接过程中焊接熔池高于焊接表面，熔池在小孔前沿薄后沿厚，温度梯度在小孔前沿大后沿小，小孔及熔池前沿和后沿存在明显的非对称性；通过激光焊接过程中金属蒸汽流速度场发现孔壁上蒸发的金属蒸汽由孔壁流向小孔中轴线，且向孔外喷射；金属蒸汽在小孔中轴线处的流速高于孔壁处的流速，小孔顶部处的流速高于孔底处的流速，最大

9、流速80m／s；孔壁上的激光功率密度分布不均匀，孔底激光功率密度最大；孔壁最高温度为3700K，高于汽化温度567K，位于孔底处；激光照射到材料的瞬间，孔深变化速度最快，为O．2lmm／ms；小孔形成的初级阶段孔深的变化较快，但随着小孔深度的增加，孔深变化速度逐渐下降。最后，对焊接小孔和熔池动态形成过程中的等离子体特征进行了模拟研究，模型基于质量和能量守恒，考虑了焊接过程中的均值沸腾和表面蒸发现象，