本發(fā)明涉及機械密封激光精密加工，具體為一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法。

背景技術：

1、機械密封動壓槽的精密加工對于確保機械密封的穩(wěn)定運行具有重要作用。目前，激光加工技術是動壓槽加工最常采用的加工方式，但在激光加工動壓槽過程中，伴隨著熔化、氣化等多個物理變化相互耦合的現(xiàn)象，導致其加工機理不明，通過對激光加工動壓槽的過程進行仿真模擬有助于理清激光加工機理，并預測加工后槽深和槽底表面粗糙度，對于實現(xiàn)或指導動壓槽的精密加工具有重要意義。

2、激光加工是一種非接觸加工，通過聚焦的脈沖適用于小面積加工的技術，其具有瞬態(tài)高能注入特性，能加工高硬脆性以及高熔點的材料，并且不會發(fā)生刀具磨損，廣泛應用于難切削材料的精密成型加工。但脈沖激光與材料相互作用的機理復雜，嚴重影響了激光加工的穩(wěn)定性和質量，近年來，許多研究人員在激光與材料之間的相互作用機理方面開展了大量的研究工作。王輝、溫秋玲等人為了探究金剛石在皮秒激光加工中的燒蝕特性和材料去除機理，對cvd單晶金剛石上的皮秒激光加工微槽進行了實驗研究。吳東江等人通過改變激光能量密度和有效脈沖數(shù)，研究rb-sic表面燒蝕槽的形貌變化規(guī)律，確定飛秒激光加工rb-sic的去除機理。以上研究都是通過實驗對激光加工機理進行研究，雖然可以直觀的觀察到加工后的具體燒蝕形貌，但其實驗成本高，在多脈沖激光與材料相互作用時，高能激光束將材料瞬間去除，在激光加工實驗中，其過程難以被觀察到。

技術實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術問題

2、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，具備預測了槽深和槽底表面粗糙度等優(yōu)點，解決了上述技術問題。

3、(二)技術方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

5、s1、利用comsol?multiphysics軟件的流體流動模塊和傳熱模塊對激光加工動壓槽過程進行分析；

6、s2、建立激光加工動壓槽過程的幾何模型，包括空氣域和固體域；

7、s3、對空氣域和固體域分別設置材料所需的物性參數(shù)，包括激光工藝參數(shù)、激光束參數(shù)、固體工件材料的物性參數(shù)；

8、s4、基于流體流動、傳熱傳質的控制方程設置幾何模型的邊界條件，控制方程包括水平集方程，質量守恒方程，動量守恒方程，能量守恒方程及激光熱源模型；

9、s5、基于建立的幾何模型對計算域進行網(wǎng)格劃分；

10、s6、進行仿真計算，并對仿真結果進行后處理。

11、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術方案，所述水平集方程表達式如下：

12、

13、其中，φ表示水平集函數(shù)，表示對時間t求偏導，表示向量算子，表示蒸發(fā)率，u表示速度矢量，εh表示邊界層厚度，ρv和ρl分別表示材料氣態(tài)和液態(tài)的密度，δ(φ)表示關于φ的delta函數(shù)，γa表示函數(shù)初始化值，表示水平集函數(shù)的向量算子，表示水平集函數(shù)向量算子的絕對值；

14、所述質量守恒方程表達式如下：

15、

16、其中，δ(φ)表示關于φ的delta函數(shù)，表示蒸發(fā)率，u表示速度矢量，表示向量算子，n表示氣液交界面的法線方向，表示速度散度；

17、所述動量守恒方程表達式如下：

18、

19、其中，t、ρ、μ、pa分別表示材料的溫度、材料的密度、動力學粘度、壓強，表示向量算子，i、β、tm、k分別表示單位矩陣、材料的熱膨脹率、材料的熔化溫度、材料的導熱系數(shù)，σ、y分別表示表面張力系數(shù)、縱坐標，δ(φ)表示關于φ的delta函數(shù)，表示表面張力系數(shù)關于材料的溫度的偏導，表示材料的溫度關于橫坐標x的偏導，u表示速度矢量，g表示重力加速度矢量，表示速度矢量u對時間的偏導，n表示氣液交界面的法線方向，pr表示反沖壓力；

20、所述能量守恒方程表達式如下：

21、

22、其中，r0、τ、f分別表示激光加工過程中激光光斑半徑、脈寬、重復頻率，ε0表示表面發(fā)射率，kb、lv、hc、t0分別表示玻爾茲曼常數(shù)、蒸發(fā)率、材料氣化潛熱、傳熱系數(shù)、初始溫度，as表示材料對激光能量的吸收率，g(t)表示激光脈沖時間函數(shù)，x、y分別表示橫縱坐標，p表示激光功率、cp表示材料的比熱容，exp表示以自然常數(shù)為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)；

23、所述激光熱源模型表達式如下：

24、

25、其中，q(x,y,t)表示隨時間變化的移動熱源，r表示材料的反射率，f表示重復頻率，τ表示脈寬，r0表示光斑半徑，exp表示以自然常數(shù)為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)，x、y分別表示橫縱坐標，g(t)表示激光脈沖時間函數(shù)。

26、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術方案，所述激光脈沖時間函數(shù)g(t)表達式如下：

27、

28、其中，t表示時間，τ表示脈寬，f表示重復頻率。

29、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術方案，所述動壓槽形狀包括矩形槽、三角形槽、螺旋槽、t形槽、u形槽、人字形槽、直線槽、圓弧槽中的任一種。

30、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術方案，所述激光工藝參數(shù)包括激光功率，重復頻率，掃描速度，標刻次數(shù)，填充間距，所述激光束參數(shù)包括脈沖寬度，光斑半徑。

31、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，具備以下有益效果：

32、本發(fā)明通過基于流體動力學方程和水平集方程，建立了移動熱源加工動壓槽的三維模型，模擬激光加工動壓槽的燒蝕過程，有效描述了動壓槽的形成及演化過程，并準確預測了槽深和槽底表面粗糙度，有助于揭示激光加工機理和指導動壓槽的激光精密加工，具有實驗成本低，易于觀察激光燒蝕過程的特點。

技術特征：

1.一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述水平集方程表達式如下：

3.根據(jù)權利要求2所述的一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述激光脈沖時間函數(shù)g(t)表達式如下：

4.根據(jù)權利要求1所述的一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述動壓槽形狀包括矩形槽、三角形槽、螺旋槽、t形槽、u形槽、人字形槽、直線槽、圓弧槽中的任一種。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述激光工藝參數(shù)包括激光功率，重復頻率，掃描速度，標刻次數(shù)，填充間距，所述激光束參數(shù)包括脈沖寬度，光斑半徑。

技術總結
本發(fā)明涉及機械密封激光精密加工技術領域，且公開了一種激光加工機械密封動壓槽的數(shù)值模擬方法，利用COMSOL?Multiphysics軟件的流體流動模塊和傳熱模塊對激光加工動壓槽過程進行分析，建立激光加工動壓槽過程的幾何模型，設置材料所需的物性參數(shù)，基于流體流動、傳熱傳質的控制方程設置幾何模型的邊界條件，基于建立的幾何模型對計算域進行網(wǎng)格劃分，并進行仿真。該方法通過基于流體動力學方程和水平集方程，建立了移動熱源加工動壓槽的三維模型，模擬激光加工動壓槽的燒蝕過程，描述了動壓槽的形成及演化過程，并準確預測了槽深和槽底表面粗糙度，有助于揭示激光加工機理和指導動壓槽的激光精密加工。

技術研發(fā)人員：毛文元,陸眾,陳碩,王修武,許恒杰,鄧強國,孫雪劍
受保護的技術使用者：昆明理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19