一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法
本专利技术涉及激光冲击强化
，尤其涉及一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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TransientStructural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TransientStructural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；步骤S14：在TransientStructural瞬态结构计算仿真模块中进行求解设置；步骤S15：在SystemCoupling系统耦合模块中进行耦合方式设置；步骤S16：保存并进行求解和仿真结果后处理。步骤S2：几何建模及网格划分；主要包括首先三维模型的厚度建立为一个网格尺寸大小的薄片，并设置对称的边界条件减小计算量，其次命名边界并设置边界条件，最后调整结构模块，使其随着逐渐远离流固交界面网格越密集。所述步骤S2中几何模型的建立及网格划分的具体步骤如下：步骤S21：将几何模型的厚度建立为一个厚度为一个网格尺寸的薄片，再将流体区域的前后两面设置为对称的边界条件，其上半部划分为FLUENT流体区域，下半部分划为TransientStructural结构区域；步骤S22：几何模型建立完成后分别将流体区域的几何模型和结构区域的几何模型分配给FLUENT流体计算仿真模块和TransientStructural瞬态结构计算仿真模块，然后在各自的模块中进行网格划分；步骤S23：在流体仿真模块中，将流体网格划分为正方体的结构化网格，网格尺寸保证较小计算量和较高的求解精度，将其网格尺寸设置为10μm；步骤S24：在结构仿真模块中，在更接近流固交界面附近的区域会需要更高的求解精度，所以需要将网格划分得更细，而在远离流固交界面的的区域则不需要太高的网格密度以节省计算量，所以把网格尺寸逐渐增大。步骤S3：用FLUENT仿真前处理；主要包括定义多相流模型、能量模型、湍流模型、物质属性、设置边界条件、求解方法与控制、初始计算设置。所述步骤S3中的仿真前处理包括如下步骤：步骤S31：定义多相流模型，流体模型中包含等离子体气泡和约束层这两相流体；步骤S32：能量模型，由于流体模型中涉及高压等离子体气泡气体相的可压缩流动，所以需要将其能量模型设置为开；步骤S33：湍流模型：在激光诱导产生等离子体的流场中，流场的雷诺数的计算公式为：其中，P0＝PR-P∞，式中L0表示长度；u0表示速度；P∞表示环境的压强；PR表示气泡的内部压强；ρ表示流体的密度；ν表示流体的运动粘度；步骤S34：物质属性，设置两种流体相分别为第一相是等离子体气泡相water-vapor，物质属性为理想气体；第二相是water-liquid或air，物质属性分别为水和空气；步骤S35：边界条件，根据激光冲击强化过程的实际情况设置其流场的边界条件，结合几何建模时命名的边界名称，将pressureoutlet设置为压力出口边界条件；步骤S36：求解方法与控制，对于可压缩的多相流激光诱导等离子体气泡瞬态流场计算仿真；步骤S37：初始化，初始化时采用流场全局的初始化，用FLUENT自带的RegionAdaption标记等离子体气泡所在的区域；步骤S38：计算设置：将计算时间步长设定为1×10-8s，计算步数为100，每一步保存一次数据，在有水约束时可以适当增加每一步的计算时间步长和减少计算步数以减少计算量。步骤S4：用瞬态结构求解设置；主要包括定义材料、求解时间、施加载荷、施加固定、添加求解量。所述步骤S4中的瞬态结构求解的具体步骤如下：步骤S41：定义材料，选取材料库中的steel作为模型中工件的材料，材料属性保持默认数值；步骤S42：求解时间，根据流体模型中定义的时间步长和计算时间设置，使流固模块的求解步长和求解时间匹配；步骤S43：施加载荷，将几何建模时命名为wall-solid的面定义为载荷的施加面，并将施加方式定义为流固交界面，使得流场的载荷可以施加到该面；步骤S44：施加固定，将几何建模时命名为fixed-support的面定义为固定支撑的面以对工件几何体进行约束；步骤S45：添加求解量，插入变形、应变及应力需要求解的响应。步骤S5：气-液-固系统耦合设置；主要包括设置求解时间、数据传递及传递顺序、计算求解。所述步骤S5中的气-液-固系统耦合设置包括如下具体步骤：步骤S51：求解时间，匹配流体模型和结构模型中定义的时间步长和计算时间，使系统耦合模块与其他两个模块的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光冲击强化的气‑液‑固耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：设计瞬态气‑液‑固耦合系统；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；步骤S2：几何建模及网格划分；首先三维模型的厚度建立为一个网格尺寸大小的薄片，并设置对称的边界条件减小计算量，其次命名边界并设置边界条件，最后调整结构模块，使其随着逐渐远离流固交界面网格越密集；步骤S3：用FLUENT仿真前处理；包括定义多相流模型、能量模型、湍流模型、物质属性、设置边界条件、求解方法与控制、初始计算设置；步骤S4：用瞬态结构求解设置；包括定义材料、求解时间、施加载荷、施加固定、添加求解量；步骤S5：气‑液‑固系统耦合设置；包括设置求解时间、数据传递及传递顺序、计算求解。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：设计瞬态气-液-固耦合系统；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；步骤S2：几何建模及网格划分；首先三维模型的厚度建立为一个网格尺寸大小的薄片，并设置对称的边界条件减小计算量，其次命名边界并设置边界条件，最后调整结构模块，使其随着逐渐远离流固交界面网格越密集；步骤S3：用FLUENT仿真前处理；包括定义多相流模型、能量模型、湍流模型、物质属性、设置边界条件、求解方法与控制、初始计算设置；步骤S4：用瞬态结构求解设置；包括定义材料、求解时间、施加载荷、施加固定、添加求解量；步骤S5：气-液-固系统耦合设置；包括设置求解时间、数据传递及传递顺序、计算求解。2.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法，其特征在于，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TransientStructural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TransientStructural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；步骤S14：在TransientStructural瞬态结构计算仿真模块中进行求解设置；步骤S15：在SystemCoupling系统耦合模块中进行耦合方式设置；步骤S16：保存并进行求解和仿真结果后处理。3.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法，其特征在于，所述步骤S2中几何模型的建立及网格划分的具体步骤如下：步骤S21：将几何模型的厚度建立为一个厚度为一个网格尺寸的薄片，再将流体区域的前后两面设置为对称的边界条件，其上半部划分为FLUENT流体区域，下半部分划为TransientStructural结构区域；步骤S22：几何模型建立完成后分别将流体区域的几何模型和结构区域的几何模型分配给FLUENT流体计算仿真模块和TransientStructural瞬态结构计算仿真模块，然后在各自的模块中进行网格划分；步骤S23：在流体仿真模块中，将流体网格划分为正方体的结构化网格，网格尺寸保证较小计算量和较高的求解精度，将其网格尺寸设置为10μm；步骤S24：在结构仿真模块中，在更接近流固交界面附近的区域会需要更高的求解精度，所以需要将网格划分得更细，而在远离流固交界面的的区域则不需要太高的网格密度以节省计算量，所以把网格尺寸逐渐增大。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志刚，黄亚军，陈英怀，蔡文莱，葛露明，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44