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激光切割中辅助气体流场分析与喷嘴结构参数优化

作 者: 吕建军
导 师: 刘会霞
学 校: 江苏大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 激光切割 自由射流 撞击射流 CFD Taguchi方法
分类号: TN249
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


激光切割技术是激光加工应用领域的重要部分,是当前世界上先进的切割工艺之一。随着应用领域的不断扩展激光切割中的一些关键性技术也迫切需要得到解决。喷嘴及其射流流场是影响激光切割的重要因素之一,选择合理的喷嘴结构参数和良好的射流流场特性对于提高激光切割能力、效率和质量具有重要意义。论文首先根据空气动力学原理和激光切割机理,建立了圆锥形喷嘴、超音速喷嘴和简易的超音速喷嘴几何模型。然后根据可压缩轴对称N-S方程,采用非结构网格有限体积法和标准k-ε模型对论文选择的喷嘴在不同入口压力下的自由射流特征进行了数值分析。分析结果表明传统的圆锥形喷嘴在低压时具有很好的射流特性,适合于常用的低速低压的激光切割,但随着入口压力的增加,喷嘴出口会有激波产生,射流流场有较大的波动;设计的超音速喷嘴在设计的工作压力下具有很好射流流场特性,其射流边界整齐、气流动量高、流速、压力及密度分布均匀,适合于高压快速激光厚板切割;简易的超音速喷嘴在高压入口时与设计的超音速喷嘴相比具有相似的射流特性,并且简易的超音速喷嘴结构简单制造方便,更容易产品化。为了研究激光切割中辅助气体与工件之间的相互作用关系对激光切割表面质量的影响,在本文中将辅助气体与工件之间的相互作用关系描述为斜面撞击射流过程,撞击射流选择RNG k-ε模型。撞击射流分析得出斜面和喷嘴轴线夹角越小,距离喷嘴出口越近,斜面上静压梯度和剪切应力就越大。较大的剪切应力和大的压力梯度变化有利于增强去除材料能力和提高激光切割表面质量。最后,将Taguchi(田口方法)应用到喷嘴的结构参数优化中来,分别建立L9和L18正交分析表,对圆锥形喷嘴和简易的超音速喷嘴的结构参数进行优化设计,为实际激光切割中喷嘴的结构参数的选择提供了依据。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-21
  1.1 本课题的研究背景与意义  9-12
    1.1.1 激光切割的广泛应用及发展趋势  9-12
  1.2 激光的切割机理及主要工艺  12-14
    1.2.1 激光切割的机理  12
    1.2.2 激光切割的主要工艺  12-14
  1.3 激光切割中喷嘴设计和气流控制技术的重要作用  14-17
    1.3.1 割炬和喷嘴的影响  14-15
    1.3.2 喷嘴气流控制技术  15-17
  1.4 喷嘴及气流控制技术的研究现状  17-20
    1.4.1 激光切割中喷嘴的国内外研究现状  17-18
    1.4.2 激光切割中射流流场特性的国内外研究现状  18-20
  1.5 论文主要内容与结构  20-21
第二章 喷嘴数学模型的建立  21-34
  2.1 几何模型的建立  21-29
    2.1.1 传统型喷嘴  21-22
    2.1.2 改进型喷嘴  22-24
    2.1.3 设计的超音速喷嘴  24-29
  2.2 基本控制方程  29-33
    2.2.1 喷管中产生超音速气流的空气动力学原理  29-32
    2.2.2 流体动力学的控制方程  32-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章 喷嘴射流的CFD数值计算及流场分析  34-62
  3.1 CFD常用软件介绍  34-37
  3.2 网格生成技术  37-40
    3.2.1 网格的类型  37-38
    3.2.2 自适应网格(Adaptive grid)  38-39
    3.2.3 喷嘴计算域的网格划分  39-40
  3.3 边界条件的设定  40
  3.4 控制方程的求解  40-48
    3.4.1 控制方程的离散  41-43
    3.4.2 离散初始条件和边界条件  43
    3.4.3 确定求解器与计算模型  43-47
    3.4.4 设置求解控制参数  47-48
    3.4.5 求解离散方程与判断解的收敛性  48
  3.5 激光切割过程中自由射流的特征描述  48-50
  3.6 计算结果分析  50-61
    3.6.1 圆锥形喷嘴  50-53
    3.6.2 设计的超音速喷嘴  53-56
    3.6.3 圆锥形和设计的超音速流场特性比较  56-57
    3.6.4 简易的超音速喷嘴  57-60
    3.6.5 简易的超音速喷嘴和设计的超音速流场特性比较  60-61
  3.7 本章小结  61-62
第四章 喷嘴撞击射流的CFD数值计算及流场分析  62-72
  4.1 切割机理和熔化层流动的控制方程  62-66
  4.2 撞击射流的数值模拟  66-71
    4.2.1 数值计算与求解方法  66-67
    4.2.2 距离工件中心3.0mm的分析结果  67-69
    4.2.3 距离工件中心1.5mm的分析结果  69-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章 结构参数优化分析  72-79
  5.1 Taguchi方法概述  72-73
    5.1.1 田口方法中的静态特性  72-73
  5.2 圆锥形喷嘴结构参数优化  73-76
    5.2.1 设计方案  73-74
    5.2.2 直观分析表及S/N比曲线图  74
    5.2.3 绘制S/N比曲线图  74-75
    5.2.4 优化后的喷嘴流场分析  75-76
  5.3 简易的超音速喷嘴结构参数优化  76-78
    5.3.1 设计方案  76-77
    5.3.2 直观分析表及S/N比曲线图  77-78
    5.3.3 绘制S/N比曲线图  78
    5.3.4 优化后的喷嘴流场分析  78
  5.4 本章小结  78-79
第六章 总结与展望  79-81
  6.1 研究结果总结  79-80
  6.2 研究展望  80-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
攻读硕士期间发表的相关论文  86

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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