脆性材料的激光热应力切割过程的数值模拟

【摘要】：脆性材料的激光热应力切割法(或控制断裂法)是通过激光照射引起的热应力驱动和控制脆性材料内预置裂纹的连续扩展、从而分割或去除材料的一种加工方法。本文采用逐步网格重构的有限元法模拟激光热应力切割的裂纹扩展过程,并通过激光扫描路径的修正来改进裂纹扩展路径(即切割精度)。鉴于非对称或任意形状的切割时裂纹处于混合模态,裂纹扩展将可能偏离预定方向,通过对整个切割过程的模拟以及激光扫描路径的修正,改善切割精度,达到"精确"切割的目的。裂纹扩展的有限元模拟包括以下三步:1、激光扫描的热传导分析和热应力分析,包括计算裂纹的应力强度因子、J积分,预测裂纹扩展角;2、利用材料断裂准则判断裂纹是否扩展,确定新的裂纹尖端位置;3、对裂纹扩展影响区进行局部网格重构,实现有限元模型更新。这三步循环往复,达到裂纹扩展模拟的目的,其中第1步通过调用ABAQUS完成。由于只对裂纹扩展区局部进行单元更新,网格划分及老网格结果到新网格的映射的工作量相对较小。采用以上方法模拟分析了钠钙玻璃矩形板沿成多种角度的折线和弧线切割的情况,比较了激光沿预订切割路径扫描和文献中给出的修正路径扫描导致的裂纹扩展轨迹,结果显示修正的路径能有效改进切割精度。在大量仿真分析的基础上讨论了进一步改善切割精度的途径。