基于MSC.Marc的船體薄板脈沖激光切割有限元模擬

黃震宇， 邱宇舟

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海200063)

0 引 言

在船舶建造過程中，切割是一道極為重要的工序，切割質量的高低將直接影響后續整體焊接工程[1]。傳統的鋼板切割方式主要有火焰切割、水切割、線切割、等離子切割等，而在現代加工制造技術中，激光切割是應用最為廣泛的激光加工技術。激光切割具有切割快速、縫隙窄、熱影響區小、切割整齊、耗材少、噪聲低等優勢[2]。根據其具體切割方式又分為熔化切割、氧化熔化切割和氣化切割等3種形式[3]。

針對AH36薄板脈沖激光熔化切割工藝，采用非線性有限元軟件MSC.Marc建立AH36薄板脈沖激光切割有限元模型，并利用Fortran對MSC.Marc進行二次開發，編寫脈沖激光熱源函數程序。模型可模擬不同參數下AH36薄板的切割過程。選擇激光離焦量、功率、切割速度、頻率與脈沖寬度等參數進行計算，根據計算結果分析比較這些參數對激光切割溫度歷程和切割邊緣殘余變形量的影響。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

采用MSC.Marc建立AH36薄板脈沖激光切割有限元模型，如圖1所示。由于結構具有對稱性，因此可以取一半結構建模以減少計算量。有限元模型的幾何尺寸為100 mm×100 mm×5 mm。為進一步減少計算量、提高計算效率，在進行網格劃分時采用疏密網格過渡，即在靠近切割區域處采用尺寸較小的密集網格，遠離切割處采用尺寸較大的稀疏網格，在疏密網格交界處進行網格過渡。板厚為5 mm，沿板厚方向均分為5層有限元單元，切割區域的網格尺寸為2.0 mm×2.5 mm×1.0 mm，遠離切割處的網格尺寸為4.0 mm×5.0 mm×1.0 mm。……