本例使用二维模型，将来自激光的入射热通量模拟为金属表面上空间分布的热源，从而得到金属的烧蚀过程和瞬态温度分布。

仿真思路

方案设计思路

建模过程思路

激光烧蚀.pdf

建模说明

新建

1. 在新建界面里点击模型向导。

1. 在选择物理场树中选择 传热>固体传热 以及 数学>变形网格>旧的变形网格>变形几何。

1. 单击添加。

1. 单击研究。

1. 在选择研究树中选择 一般研究>瞬态。

1. 单击完成。

全局定义

定义在几何、函数及物理场设置中使用的参数。

参数1

1. 在模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数 1。

1. 在参数的设置窗口中， 定位到参数栏。

1. 在表中输入以下设置：

几何

由于烧蚀只发生在金属的表层，故将二维矩形分割成上下两层，加快计算速度。

1. 在几何工具栏单击矩形。

1. 在矩形的设置窗口中， 定位到大小和形状栏。

1. 宽度设置"12000μm"，长度设置10000"μm"。

1. 定位到层设置，设置层1的厚度为9000μm。

1. 在矩形的设置栏中点击构建选定对象。

定义

在设置物理场前定义要使用的函数。

斜坡函数

斜坡函数定义的是烧蚀热通量中的传热系数，斜率本身可以是任意值，但值过小会超过烧蚀温度，过大会造成数值收敛过慢。

1. 在主屏幕工具栏中单击函数，然后选择局部>斜坡。

1. 函数名称设置为h_a。

1. 在斜坡设置中定位到参数栏。

1. 在斜率文本框中键入"1e6"。

1. 点击绘制。

高斯脉冲

激光的能量密度分布近似于高斯分布，在高斯分布中，标准差为σ时，3σ内的分布可以占到99.7%，随意设置标准差为激光光斑半径的三分之一。

1. 在主屏幕工具栏中单击函数，然后选择局部>高斯脉冲。

1. 函数名称设置为gp1。

1. 在高斯脉冲设置中定位到参数栏。

1. 在标准差文本框中键入"r_spot/3"。

1. 点击绘制。

分段函数

本例采用激光脉冲，用分段函数定义脉冲的时间和间隔。

1. 在主屏幕工具栏中单击函数，然后选择局部>分段。

1. 函数名称设置为pw1。

1. 在分段设置中定位到定义栏。

1. 在变元文本框中键入"t"，外推>常数，平滑处理>无平滑。

1. 在区间中定义自己需要的函数，注意要连续，如图

1. 定位到单位栏，变元文本框键入"s"，函数文本框键入"1"。

1. 点击绘制。

解析函数

本例是将来自激光的入射热通量模拟为金属表面上空间分布的热源，所以使用解析函数定义空间上热源的分布情况。

1. 在主屏幕工具栏中单击函数，然后选择局部>解析。

1. 函数名称设置为laser。

1. 在斜坡设置中定位到定义栏、单位栏和绘图参数栏。

1. 定义栏中，在表达式文本框中键入"gp1(x-x0)*P_density_avg*pw1(t)"，变元文本中键入"x,t"。

1. 单位栏中，在函数文本框中键入"kW/m^2"，变元x的单位为"m"，变元t的单位为"s"。

1. 绘图参数栏中，绘图参数栏中，变元x的下限为"0"，上限为"12000[μm]"，变元t的下限为0，上限为"10[μs]"。

1. 点击绘制。

变形几何

在激光烧蚀的过程中，金属表面会发生变形和升华，故设置变形网格，模拟烧蚀过程。

1. 在模型开发器中定位到"变形几何(dg)"，在变性几何的设置栏中定位到域选择和自由变形设置，域选择中选择所有域，在自由变形设置中，网格平滑类型选择超弹性。

1. 在模型开发器中定位到"变形几何(dg)"，右键单击，分别添加"自由变形"、"指定法向网格速度"、"指定网格速度"。

1. 点击自由变形，用于定义烧蚀过程中可以发生变形的区域，域选择>所有域，初始变形栏中，dX0设置为"0"，dY0设置为"0"。

1. 点击指定法向网格速度，用于定义烧蚀表面发生热升华的形变，边界选择金属表面(边界5)，法向网格速度设置为"ht.hf1.q0/(md*H_s)"。ps：ht.hf1.q0这个参数可以在模型开发器>固体传热>热通量1>方程视图中找到，定义的是从烧蚀表面向金属内部传递的热通量。

1. 单击指定网格速度，保证烧蚀过程中，边界不会随表 面发生变形。边界选择左右两边(边界1、边界3、边界6、边界7)。在指定网格速度中，勾选"指定X速度"，参数设置为"0"。

固体传热

用于设置金属参数和烧蚀表面的热通量参数。

1. 在模型开发器中定位到"变形几何(dg)"，在变性几何的设置栏中定位到域选择和自由变形设置，域选择中选择所有域，在自由变形设置中，网格平滑类型选择超弹性。

1. 在模型开发器中定位到"变形几何(dg)"，右键单击，分别添加"自由变形"、"指定法向网格速度"、"指定网格速度"。

1. 点击自由变形，用于定义烧蚀过程中可以发生变形的区域，域选择>所有域，初始变形栏中，dX0设置为"0"，dY0设置为"0"。

1. 点击指定法向网格速度，用于定义烧蚀表面发生热升华的形变，边界选择金属表面(边界5)，法向网格速度设置为"ht.hf1.q0/(md*H_s)"。ps：ht.hf1.q0这个参数可以在模型开发器>固体传热>热通量1>方程视图中找到，定义的是从烧蚀表面向金属内部传递的热通量。

1. 单击指定网格速度，保证烧蚀过程中，边界不会随表 面发生变形。边界选择左右两边(边界1、边界3、边界6、边界7)。在指定网格速度中，勾选"指定X速度"，参数设置为"0"。

固体传热

用于设置金属参数和烧蚀表面的热通量参数。

1. 定位到模型开发器的固体传热，右键添加两个"热通量"。

1. 定位到固体1，在固体设置栏中定位到"热传导，固体"和"热力学固体"。"导热系数"、"密度"、"恒压比热容"均选择"用户定义"，并将其分别设置为K、md、Cp。

1. 定位到初始值1，在初始值设置中，温度选择"用户定义"，可以设置为室温，本例设置为"300[K]"。

1. 定位到热通量1，定义金属边界和空气之间的对流换热，边界选择设置中，选择金属表面（边界5），在热通量设置栏中，通量类型选择"对流热通量"，传热系数选择"用户定义"，并将其设置为"h_a((T-T_a)[1/K])"，外部温度选择"用户定义"，并将其设置为"T_a"。

1. 定位到热通量2，用于定义激光焦点附近的热通量，边界选择中选择金属表面(边界5)，在热通量设置栏中，通量类型选择"广义向内热通量"，q0设置为"laser(x,t)"。

网格划分

合理的网格划分可以加快计算速度，网格划分中比较重要的参数是网格大小，需要根据具体的模型，分成不同部分进行大小不同的网格划分，可以避免报错，减少运算量。

1. 在网格工具栏中点击自由三角形网格，创建"自由三角形网格1"和"自由三角形网格2"。

1. 定位到模型开发器中 网格1>自由网格1，对烧蚀部分进行网格划分，在域选择栏，几何实体层>域，选择上半部分(域2)。

1. 定位到模型开发器中 网格1>大小，因为上半部分为烧蚀变形部分，网格应尽可能的小，能更好的仿真出形变的过程，在单位大小栏中选择 校准为>普通物理学，县勾选预定义，选择"极细化"，下面的单元大小参数变化后，选择"定制"，修改"最大单元大小"为"20"。

1. 定位到模型开发器中 网格1>自由三角形网格2，右键单击，添加"大小"。

1. 在自由网格2的设置中，域选择栏选择下半部分(域1)，点击模型开发器中 网格1>自由三角形网格2>大小1，单元大小选择 预定制>常规。

1. 点击设置栏的全部构建，即可生成网格。

研究

本例假设激光的总工作时间为10μs，步长0.1μs。

1. 定位到模型开发器中 研究1>步骤1：瞬态。

1. 在 研究设置中，时间单位选择"μs"，输出时常输出时步键入"range(0,0.1,10)",容差选择"物理场控制"。

1. 点击计算，得到结果。

结果

1. 结果会自动生成"温度"，"等温线"，"探针绘图组"，可以根据需要进行查看。点击对应结果设置中

时间控制键，可以看到不同时间的图形情况。

1. 如果想知道更具体的参数，如整个激光烧蚀过程中，金属的熔深，我们可以添加探针。在模型开发器中定位到定义，右键添加探针>边界探针，探针类型选择"平均值"，源选择为金属的烧蚀边界(边界5)，重新点击研究中的计算即可得到熔深变化。

1. 定位到模型开发器中的 结果>温度，在上方工具栏选择动画>文件，在动画设置栏中，帧栏帧选择为"全部"，然后选择导出，即可得到烧蚀过程的GIF图。