摘要：雷射重熔過程中溫度及應力的演變決定著成形件的組織和服役效能。以ansys平台為例，綜述了雷射重熔過程中溫度場和應力場的分析流程，深入討論了分析過程中的網格劃分、移動熱源施加、邊界條件設定、熱力耦合場、後處理等關鍵問題的處理方法，為雷射重熔數值模擬提供一定的理論借鑑。
關鍵詞：雷射重熔熱力耦合場數值模擬
雷射重熔技術是一種採用高能密度的雷射束照射金屬或塗層表面，使金屬表層或塗層快速熔凝與基體形成冶金結合，從而實現金屬表面強化的方法[1-2]。但雷射重熔過程中溫度場和應力場的演變影響著成形件的組織、成分，進而決定著成形件的輔以效能，因此掌握雷射重熔過程中熱力耦合場的分布至關重要。
但雷射重熔過程時間短，物理、化學、冶金變化較為複雜，現有的實驗手段很難準確獲得溫度場及應力場的分布。因此很多學者偏向於採用數值模擬的手段來掌握其溫度、應力演變過程。該文基於ansys平台，詳細綜述了雷射重熔過程中溫度場及應力場分析流程和關鍵問題的處理方法，旨在為後續溫度場與應力場數值模擬提供必要的理論依據。
1 熱力耦合場分析方案及模型假設
在雷射重熔過程中，影響重熔層組織結構的主要因素包括材料效能、雷射工藝引數，而工藝引數則是熔池溫度及形狀變化的原因，具體工藝引數包括：雷射功率p、掃瞄速度v、光斑直徑d等。有限元模擬即將雷射功率p、掃瞄速度v、光斑直徑d和材料熱物理效能等引數以數學模型的形式載入在所建立的模型上，從而模擬出熔池溫度場，由於溫差的存在所引起的膨脹或收縮，當所引起的膨脹與收縮受到無外力約束時，在物體內部產生由於溫度變化所引起的熱變形受到約束而產生的應力稱之為熱應力[3]。
在ansys中，計算應力場的方法有直接耦合法和間接耦合法。直接耦合即使用同時具有溫度和位移的耦合單元，進行求解之後直接得到溫度場和應力場的結果，間接耦合即先進行溫度場求解，將得到的溫度場計算結果作為體載荷施加在應力場中進行應力分析。由於在雷射重熔過程中同時經歷著溫度場與應力場的變化，嚴格意義上說其是相互耦合的，但由於應力場對溫度場的影響較溫度場對應力場的影響要小的多，故在數值模擬過程中一般先對溫度場進行模擬，將得到的溫度場結果作為應力場的載荷，再進行應力場分析，即只進行熱力單向耦合。
圖1所示為ansys熱力耦合分析流程圖。