[发明专利]一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法

说明书

本发明公开了一种用于激光冲击强化的气‑液‑固耦合计算方法，该计算方法主要包括如下步骤：设计瞬态气‑液‑固耦合系统；几何建模及网格划分；用FLUENT仿真前处理；用瞬态结构求解设置；气‑液‑固系统耦合设置。针对现有技术的种种不足，本发明提出了一种基于激光冲击强化的仿真方法，提供一种气‑液‑固耦合的仿真模型，模型包含两相流体和一个固体相，需要一个能够同时进行瞬态气‑液‑固耦合模拟的仿真系统，所以利用ANSYS进行该气‑液‑固耦合模拟。该方法可以有效地解决激光冲击强化参数优化困难的问题。

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其涉及一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法。

背景技术

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化手段，它是通过高功率密度(GW/cm2量级)、脉冲宽度(ns量级)的激光束通过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收涂层，涂层材料吸收激光能量迅速气化，形成高温、高压的等离子体，该等离子体受到约束层的作用对金属表面产生高强度的冲击波，冲击波作用于材料表面，使材料表面得以强化。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表层产生塑性应变，激光作用结束时，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，残余压应力的存在引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长零件的寿命。

三维平顶高斯光束是一类光能量空间分布具有一均匀平顶区域的激光，其冲击强化过程由于机理复杂同时受到多种可变因素的影响，给激光冲击强化工艺参数的优化带来很大困难。单单依靠实验数据和操作经验采用多次尝试的方法，需要耗费大量的时间和资金。进而有限元模拟方法被用来辅助激光冲击强化工艺参数的选择，同时通过分析应力应变和位移的变化来解释强化机理。在有限元模拟方面Braisted和Brockman首次采用ABAQUS/Explicit+ABAQUS/Implicit的方法进行了激光冲击强化的模拟，后人也大多采用这种有限元模拟方法，但是对于激光冲击强化，这种方法不但耗时而且针对不同工艺参数(光斑半径、搭接率、冲击路线等)，需要建立多次分析模型，因此迫切需要一种激光冲击强化的气-液-固耦合模拟仿真方法对激光冲击强化进行模拟分析。

目前，现有技术还存在以下不足：现有实验技术对激光诱导向前转移的研究需要大量耗时耗资，有限元模拟方法对激光冲击强化时，不但耗时而且需要不断将每个光斑显式分析的结果带入隐式分析中去，针对不同工艺参数(光斑半径、搭接率、冲击路线等)，需要建立多次分析模型。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法，主要包括如下步骤：

步骤S1：设计瞬态气-液-固耦合系统；主要包括首先在几何建模中建立结构几何模型和流体几何模型，然后进行网格划分，在流体模块进行仿真前处理、结构模块进行求解设置，其次在系统耦合模块进行耦合方式设置，最后求解以及仿真结果的后处理。

所述步骤S1中瞬态气-液-固耦合系统的建模步骤如下：

步骤S11：在Geometry几何建模模块中根据激光冲击强化过程中的流体和结构区域的分布建立几何模型，定义边界名称并将流体区域的几何模型分配给FLUENT流体计算仿真模块进行瞬态流体建模，将结构区域的几何模型分配给Transient Structural瞬态结构计算仿真模块进行瞬态结构建模；

步骤S12：分别在FLUENT和Transient Structural仿真模块中进行流体网格和结构网格划分；

步骤S13：在FLUENT流体计算仿真模块中进行仿真前处理设置；