Abaqus圆形激光温度-位移耦合案例教学 原创

1、 引言

本案例通过力 - 热耦合分析方法，探究圆形激光载荷作用下玻璃板的温度分布及应力响应特性。通过开发定制化子程序生成激光热源，并结合温度 - 位移耦合分析步，建立高精度有限元模型，最终实现对温度场与应力场的多物理场耦合求解与结果分析。

2、 几何模型与材料参数

（1） 模型构建：建立三维实体模型模拟玻璃板，尺寸为178×127×0.3（需根据实际场景设定具体参数），

图1模型构建

（2） 材料属性：定义玻璃板的热物理参数（如导热系数、比热容、热膨胀系数）与力学参数（如弹性模量、泊松比），考虑材料属性随温度的非线性变化（如需）。

图2 材料属性构建

3、 激光热源子程序开发

（1） 热源特性：采用高斯分布模拟圆形激光束，功率密度函数为：

其中，P 为激光功率，r0为光斑半径，r 为径向坐标

（2） 子程序实现：基于ABAQUS的用户子程序接口（如DFLUX或HETVAL），编写 Fortran/Python 程序生成动态加载的圆形激光热源，通过时间 - 空间函数控制热源移动轨迹（如需模拟扫描过程）。

图3 使用荷载子程序

5、 计算结果与分析

（1） 温度场分布特征

1． 云图可视化：通过后处理软件显示不同时刻的温度场云图，典型结果包括：激光光斑中心区域出现局部高温峰值，温度梯度沿径向快速衰减；随时间延长，热扩散导致高温区域扩大，稳态时形成稳定温度分布。

2． 数据提取：提取特征点（如光斑中心、边缘）的温度 - 时间曲线，分析升温速率与峰值温度随激光功率 / 作用时间的变化规律。

图7 温度云图可视化

（2） 应力场响应规律

1． 热应力机制：温度梯度引发热膨胀失配，导致玻璃板内部产生 热应力，典型应力模式包括：

光斑中心区域出现压应力，边缘区域出现拉应力（需结合材料热膨胀特性判断）；

瞬态过程中可能产生动态应力波动，需关注应力峰值位置与疲劳损伤风险。

2． 结果展示：通过应力云图识别高应力区域（如几何突变处或光斑边缘），提取主应力、等效应力（如 von Mises 应力）分布，评估材料失效风险（如开裂阈值）。

图8应力云图可视化

（3） 参数敏感性分析

对比不同激光功率、光斑尺寸、作用时间下的温度场与应力场差异，总结关键参数对结果的影响规律，为激光加工工艺优化提供理论依据。

6、 结论与拓展应用

（1） 结论：力 - 热耦合分析可有效揭示激光与玻璃板相互作用的多物理场行为，温度场的时空分布直接决定应力场的演化特征，高应力区域需通过工艺调整（如激光功率调制、冷却措施）降低损伤风险。

（2） 拓展：本方法可延伸至其他激光加工场景（如切割、焊接、表面处理）或材料类型（如金属、陶瓷），通过调整热源模型与边界条件实现跨领域应用。

7、 附件：本案例中的abaqus模型文件（包括cae、odb和激光子程序）