1、 引言

本案例通過力 - 熱耦合分析方法，探究圓形激光載荷作用下玻璃板的溫度分布及應力響應特性。通過開發定制化子程序生成激光熱源，并結合溫度 - 位移耦合分析步，建立高精度有限元模型，最終實現對溫度場與應力場的多物理場耦合求解與結果分析。

2、 幾何模型與材料參數

（1） 模型構建：建立三維實體模型模擬玻璃板，尺寸為178×127×0.3（需根據實際場景設定具體參數），

圖1模型構建

（2） 材料屬性：定義玻璃板的熱物理參數（如導熱系數、比熱容、熱膨脹系數）與力學參數（如彈性模量、泊松比），考慮材料屬性隨溫度的非線性變化（如需）。

圖2 材料屬性構建

3、 激光熱源子程序開發

（1） 熱源特性：采用高斯分布模擬圓形激光束，功率密度函數為：

其中，P 為激光功率，r0為光斑半徑，r 為徑向坐標

（2） 子程序實現：基于ABAQUS的用戶子程序接口（如DFLUX或HETVAL），編寫 Fortran/Python 程序生成動態加載的圓形激光熱源，通過時間 - 空間函數控制熱源移動軌跡（如需模擬掃描過程）。

圖3 使用荷載子程序

5、 計算結果與分析

（1） 溫度場分布特征

1． 云圖可視化：通過后處理軟件顯示不同時刻的溫度場云圖，典型結果包括：激光光斑中心區域出現局部高溫峰值，溫度梯度沿徑向快速衰減；隨時間延長，熱擴散導致高溫區域擴大，穩態時形成穩定溫度分布。

2． 數據提取：提取特征點（如光斑中心、邊緣）的溫度 - 時間曲線，分析升溫速率與峰值溫度隨激光功率 / 作用時間的變化規律。

圖7 溫度云圖可視化

（2） 應力場響應規律

1． 熱應力機制：溫度梯度引發熱膨脹失配，導致玻璃板內部產生 熱應力，典型應力模式包括：

光斑中心區域出現壓應力，邊緣區域出現拉應力（需結合材料熱膨脹特性判斷）；

瞬態過程中可能產生動態應力波動，需關注應力峰值位置與疲勞損傷風險。

2． 結果展示：通過應力云圖識別高應力區域（如幾何突變處或光斑邊緣），提取主應力、等效應力（如 von Mises 應力）分布，評估材料失效風險（如開裂閾值）。

圖8應力云圖可視化

（3） 參數敏感性分析

對比不同激光功率、光斑尺寸、作用時間下的溫度場與應力場差異，總結關鍵參數對結果的影響規律，為激光加工工藝優化提供理論依據。

6、 結論與拓展應用

（1） 結論：力 - 熱耦合分析可有效揭示激光與玻璃板相互作用的多物理場行為，溫度場的時空分布直接決定應力場的演化特征，高應力區域需通過工藝調整（如激光功率調制、冷卻措施）降低損傷風險。

（2） 拓展：本方法可延伸至其他激光加工場景（如切割、焊接、表面處理）或材料類型（如金屬、陶瓷），通過調整熱源模型與邊界條件實現跨領域應用。

7、 附件：本案例中的abaqus模型文件（包括cae和激光子程序）