COMSOL激光烧蚀仿真模型

本文探讨了激光烧蚀在材料加工中的应用,特别是在金属材料的处理中。通过COMSOL仿真,详细展示了二维和三维模型的建立,其中二维模型的激光光束能量公式被介绍。结果显示,激光烧蚀可以有效地改变材料表面的温度分布,这在激光加工、外科手术等领域有广泛应用。

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1.研究背景

固体材料加热到足够高的温度后会熔化,然后蒸发成气体。有些材料甚至会直接从固相转化为气相,这一过程称为升华或烧蚀。对材料加热的温度足够高,发生明显的材料去除。利用激光的烧蚀,可以实现各种金属材料的加工。发生烧蚀,材料表面必须吸收大量热通量。在此类热源中,最实用的例子之一便是激光。此方法已广泛用于各行业中,包括激光加工、外科手术和激光雕刻,以及其他应用。当然,热源未必是激光。事实上,烧蚀热屏蔽一直用于协助飞行器承受重返大气层时产生的高热载荷。本案例主要在COMSOL官网中《热烧蚀建模去除材料》博客的基础上,实现激光烧蚀的二维和三维仿真。

2.模型介绍

主要包括二维(如图1所示)和三维(如图2所示)两个模型,二维模型的激光光束能量公式为:三维激光光束的公式以及基体材料的参数可以详细参考相关博客,

### Comsol 中关于激光烧蚀的模拟方法 在Comsol中进行激光烧蚀仿真的核心在于理解并应用双温方程热力耦合模型。此模型描述了电子温度和晶格温度之间的能量交换过程,在飞秒激光脉冲作用下,材料内部会发生快速升温,进而引发相变甚至气化等现象[^1]。 #### 建立几何结构与网格划分 对于简单的轴对称几何形状,比如圆柱体或球形颗粒,可以直接采用内置的几何工具创建;而对于更为复杂的三维实体,则可能需要导入外部CAD文件。为了提高计算效率,通常会针对特定区域细化网格密度,尤其是在预期发生剧烈变化的地方,如焦点附近[^4]。 ```matlab % 创建一个简单圆形边界条件用于测试目的 model.geom.create('geom1', 'dimension', 2); model.geom.addCircle(0, 0, RADIUS); % 圆心坐标(x,y),半径RADIUS ``` #### 定义材料属性及初始条件 根据实际应用场景选定合适的材料参数集,包括但不限于导热系数、比热容、熔点沸点等物理特性。同时设定合理的初态分布——一般假设整个体系处于室温状态。 #### 设置边界条件与源项 考虑到高斯型光束的特点,可以通过定义空间依赖性的热流密度函数来表征入射功率的空间分布情况。此外还需考虑吸收效应随深度增加而减弱的趋势,即所谓的“自屏蔽”。 ```matlab % 高斯分布形式的能量输入表达式 Q = Q0 * exp(-r.^2 / (w0^2)); ``` #### 实施时间步进求解策略 由于涉及到瞬态响应特征明显的过程(例如超短脉宽),因此推荐选用隐式积分算法以确保数值稳定性,并适当调整最大允许的时间增量大小以便捕捉到重要的动态细节。 #### 后处理可视化结果解读 完成上述准备工作之后便可以启动仿真运算程序等待收敛完毕。最终得到的数据场可用于绘制温度演变历程图谱、损伤阈值映射图表等多种类型的图形资料辅助分析判断。
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