激光熔覆仿真技术：温度与应力研究的深度探索与动画呈现

【激光熔覆仿真】 1、通过激光进行熔覆工艺进行仿真，对温度与应力进行研究 2、采用COMSOL中的固体传热等物理场进行耦合仿真 3、对激光熔覆工艺完成后的温度分布与应力分布以云图形式输出，并研究某一点温度与应力随时间变化的曲线关系，温度梯度随时间变化的曲线关系，第三主应力随时间变化的曲线关系。 以及整个激光熔覆工艺过程的动画。

激光熔覆仿真这活儿听着高端，但说白了就是拿计算机模拟激光怎么在金属表面"绣花"。咱们这次用COMSOL搞事情，重点盯着温度场和应力场这对冤家。先得把固体传热模块和力学模块勾搭起来，毕竟激光一照下去，热胀冷缩和材料变形可是连体婴般的存在。

建模时要注意激光热源的加载方式，高斯分布的热流密度公式得这么敲：

% COMSOL激光热源参数 q0 = 1e7; % 峰值功率密度(W/m²) r_beam = 0.003; % 光斑半径 q = q0 * exp(-(x^2+y^2)/r_beam^2); % 二维高斯分布

这个指数项控制着激光能量从中心向外衰减的节奏，光斑边缘的热影响区就靠它来拿捏。不过实际操作时得注意单位换算，搞不好单位不统一会让模拟结果变成科幻片。

耦合设置里有个坑容易踩——记得勾选"包含热应变"选项。热应力计算的关键在于温度变化引发的材料膨胀，漏了这个就像吃火锅不点火。材料属性参数建议用分段函数处理，特别是熔融相变区间，否则材料刚度突变会让数值计算当场翻车。

后处理阶段才是重头戏。先看这个温度云图（图1），熔池形状像不像个水洼？边缘陡峭的温度梯度暴露了激光的高能量密度特性。这时候右键导出截面数据，用MATLAB跑个曲线：

% 提取节点温度数据 time = mphglobal(model,'t'); T_history = mpheval(model,'T','selection',point_id).d1; plot(time,T_history,'LineWidth',2) xlabel('Time(s)');ylabel('Temperature(℃)');

这条时间-温度曲线会呈现典型的脉冲特征，升温段陡如刀削，降温段缓似滑梯。有趣的是在相变平台区会出现温度驻留现象，这是材料在偷偷吸收潜热呢。

应力分析更带劲。第三主应力曲线（图2）在冷却阶段突然跳水，暴露了收缩受阻的尴尬处境。有个骚操作是用梯度运算器抓取温度梯度极值：

gradT = model.result().numerical().create('gradT', 'grad') gradT.set('expr', 'd(T,x)^2 + d(T,y)^2')

这招能把热震荡剧烈的区域揪出来，这些地方往往对应着裂纹高危区。动画输出时记得把时间步长调密，用AVI格式保存每秒25帧，快放效果下能清楚看到应力波像水纹一样在材料里扩散。

最后唠叨句，网格划分别太抠门。熔池区域至少布三层边界层网格，Y+值控制在1左右。见过有人为了省计算量把网格画得跟渔网似的，结果应力集中区直接消失，这种省出来的时间还不够擦屁股的。