脉冲激光相变硬化中的二维点阵光强分布设计

激光强度空间分布是影响脉冲激光相变硬化效果的重要因素。现有的二维点阵光束按强度均匀分布设计,不能完全满足应用要求。为此提出基于有限元(FE)分析的光强空间分布逆向设计思路,并给出了实现方法。建立脉冲激光相变硬化有限元模型,考虑了材料热物性参数随温度的变化和相变过程,并用实验进行校核。研究了二维点阵分布参数对温度场的影响,从目标温度场和硬化层形貌出发对二维点阵的分布参数进行调整,获得优化的强度空间分布。针对汽车冲压模具表面强化的工艺要求,应用此方法设计出具有实用价值的激光强度空间分布。     

输入输出距离变化对BOE整形环强度的影响分析

利用杨 -顾相位恢复算法设计了 1 6阶光束整形器 ,用以将 He- Ne激光基模光束整形为环形光强分布 ,并进行了实验分析 ,在实验中 ,改变输出面距输入面 (光束整形器 )的距离 L,测得输出面的衍射光强分布 ,并与理论模拟相比对。研究结果表明实验结果与理论设计及模拟相吻合     

激光参数对活塞热疲劳实验的影响

基于强度分布变换的高功率激光进行了活塞热疲劳模拟实验。为摸索该实验系统下的实验参数,深入研究了激光能量分布、加载功率、加载周期(升温时间和降温时间)和输出波形等对活塞热疲劳实验的影响,实验表明调节这些参数可以控制活塞顶部温度场分布、温度循环的平均温度、温度差和循环频率,并结合热疲劳相关理论探讨了激光参数对热疲劳寿命影响的规律。     

激光诱发活塞的热负荷

活塞的热疲劳性能对柴油发动机的全寿命至关重要。由于能量有限和可控性差等缺点,现有实验系统均不能满意地进行活塞热负荷模拟实验。为此,提出并建立了一套激光诱发活塞热负荷的实验系统。该系统通过对激光束的空间整形,使之投射到活塞表面后诱发的温度场分布满足特定要求。基于PROFIBUS-DP现场总线技术实现了系统集成和实验过程的全反馈控制。针对活塞的典型热负荷条件,即高周热疲劳和热冲击分别进行实验,以模拟正常工作循环和“启动-停车”等热负荷或转速突变工况。通过设置加热-冷却周期或上限-下限温度,可以获得相应的热负荷模拟实验效果。研究结果表明,采用经光束整形的激光进行活塞热负荷模拟实验具有周期短、可控性好等优点。     

应用ABAQUS模拟激光焊接温度场

为了减小焊接变形,优化焊接工艺,需要准确预测激光焊接过程中温度场的分布情况,使用有限元模拟来预测温度场的分布是一种较好的方法.通过分析和总结激光焊接过程有限元模拟和理论分析的研究现状,以平板的焊接为例,建立了物理模型,并利用ABAQUS进行了激光焊接三维温度场的有限元模拟,讨论了模型的网格划分、边界条件及其模拟结果的后处理.模拟结果可以给出试件上任意一点任意时刻的温度情况,在激光功率为2000W、焊接速度为20mm/s的参数下模拟焊接2mm厚的A3钢板.结果表明,最高温度为3100℃左右,距焊接中心横向mm处A点的最高温度为150℃左右,与相同参数条件下的实验结果基本一致,说明有限元模拟可以准确预测焊接过程的温度场分布情况.     

金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟

利用ANSYS有限元软件对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟;在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下,建立了选择性激光熔化(SLM)的三维温度场有限元模型;并利用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载.模拟结果表明随着扫描时间的增加,由于热积累效应,熔池的温度越来越高,热影响区也随之增大;熔化成形过程中,光斑中心的前端存在较大的温度梯度;扫描速度小,容易造成液相的流动,出现孔洞,扫描速度过大,则粉末不能完全熔化;模拟得到的结果与实验结果相吻合.     

基于生死单元的激光铣削温度场数值模拟与验证

利用ANSYS 有限元模拟软件建立了激光铣削过程的三维瞬态有限元模型,并以Al2O3 陶瓷材料的激光铣削加工为例,利用ANSYS 中的单元生死技术对激光铣削过程中温度场的动态分布进行了模拟。选取其中的一组参数,详细分析了铣削件表面某一点温度场的变化规律,确定了沿样件不同的扫描路线上铣削层的宽度和深度,并提出了温度场模拟结果的间接验证方法,即将温度场模拟获得的铣削层宽度和深度与实验测得的数据进行对比,对比结果较吻合,说明建立的有限元模型能够进行激光铣削效果的预测。     

钛合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层温度场数值模拟

根据激光重熔的特点,考虑了材料热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素,应用ANSYS的参数化设计语言建立了TC4钛合金表面激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层连续移动三维温度场有限元模型,并分析了激光功率和扫描速度对温度场的影响.结果表明与激光功率相比,激光扫描速度对试样温度场的影响较小.实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的.通过该计算模型,可以掌握激光重熔过程加热和冷却规律,为制备高性能的MCrAlY涂层优化工艺参数提供依据.     

CO2激光切割电子强化玻璃过程的有限元模拟与实验

在激光热裂法切割玻璃的过程中,温度起着至关重要的作用。为了准确掌握切割过程中温度场的分布,提高切割质量,提出了一种CO2激光切割玻璃基板的数值模拟方法。在ANSYS有限元环境下,建立了激光热应力切割电子强化玻璃的三维有限元分析模型,对温度场进行了分析。通过实验验证,得到了切割过程中温度场在不同参数下的变化及其对切割质量的影响以及温度分布与激光功率、光斑尺寸和扫描速度的非线性关系。     

Nylon12/HDPE激光烧结数值模拟及其实验研究

为了较准确描述激光烧结时温度场的分布特性,初步建立了用于模拟尼龙12/HDPE(High Density Polyethylene,高密度聚乙烯)粉末激光烧结过程中传热行为的数学模型,该模型考虑了诸如热传导等与烧结有关的热现象.在热物性参数呈非线性变化的情况下,采用ANSYS参数化设计语言处理移动热源,对烧结材料的温度场进行了数值模拟,通过试验对模拟结果进行检测,并用扫描电镜对烧结样品进行分析.模拟结果表明,最高温度点滞后于光斑中心,试验测量值与模拟值误差在3.6%以内.模拟结果与初步实验结果较为吻合.     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

低温红外镜头设计仿真方法及试验验证

在低温环境下镜头结构会产生热变形,对镜头光学传递函数（MTF）及离焦量均会产生影响,从而影响光学成像质量。在此基于某红外遥感器,针对210 K低温工作环境,设计了一套具备热卸载功能的透射式低温镜头。对其建立有限元模型,并加载模拟在轨工作环境温度场,得到热变形数据,最终计算出镜头MTF及离焦量变化,并通过该仿真分析手段对低温镜头结构进行优化设计。低温镜头装调完成后,将低温镜头及其他配合测试设备置于真空罐内,在常温与低温环境条件下,对光学系统MTF及最佳焦面位置进行测试标定。测试结果表明,各项偏差在可接受范围之内,MTF仅变化0.2%,说明使用的低温镜头多场耦合仿真方法是可靠的,能够对红外遥感器低温镜头设计进行指导。     

基于等光程原理的激光引信光学整形方法

由于受环境、空间、功耗等方面的限制,常规弹药激光引信难以采用传统光束整形方法实现回波聚焦。本文针对常规弹药激光引信目标回波能量低、探测距离有限这一问题,研究非球面光学设计理论,提出一种基于等光程原理的单级非球面光学整形方法。建立激光接收系统ZEMAX光学理论模型,对比分析不同条件下光学整形能力,仿真结果显示相对于传统单级球面光学接收透镜,单级非球面光学接收透镜能将整形光斑中心辐照亮度提高三倍。在理论分析基础上进行光束整形对比实验,测试不同条件下整形光斑尺寸以及分布情况,实验结果显示单级非球面光学接收透镜能有效压缩光斑,汇聚激光回波能量。     

工艺参数对激光烧结铁粉温度场演变的影响

综合考虑金属粉末激光直接烧结的热流施加和材料高温下热学性能参数与温度关系的非线性,基于ANSYS平台建立了移动高斯热源作用下激光烧结的三维瞬态有限元温度场模型,利用APDL语言编制程序实现热源移动,同时考虑相变潜热对温度场的影响.重点分析了激光功率、扫描速度和预热温度这三个重要的工艺参数不同组合下温度场的分布规律及传热学行为.模拟结果与先前实验结果吻合较好,表明可以利用此模型进行工艺参数优化,并为后续的应力场分析做好准备.     

摆动反射镜实现高功率激光束的平滑化

为了获得均匀化、平顶的高功率激光束，设计了一种以平面镜为输出镜、凹面镜为全反镜的新型谐振腔结构，由于凹面镜的周期摆动使得输出光束强度分布得到一个时间上的均匀化，得到近似的“平顶”高斯型。建立了理论模型，并对该整形方式进行理论分析与数值模拟。理论计算和实验结果都表明．采用这种新型的整形方式，CO2激光器输出光束光强的空间分布得到了明显的均匀化。此方法避免了传统高功率激光光束整形的弊端，提高了系统的可靠性，简化了结构设计。     

移动线形激光破岩耦合场仿真分析及实验研究

将激光技术与传统钻井技术相结合以实现高效破岩在油气开采领域具有极其重要的价值与前景。目前国内对静止点光束作用于岩石的破碎规律有一定的研究,而未对移动及不同形状激光束作用于岩石的破碎规律做相关研究。本文以实际钻井工况为背景,建立线形激光能量场分布数值模型,通过传热学相关理论建立了移动线形激光温度场分布数值模型。采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对移动线形激光作用花岗岩过程进行了热力耦合瞬态仿真,得到了移动线形激光作用花岗岩温度场的分布规律,以莫尔-库伦破坏准则为依据,仿真模拟了激光热应力作用下花岗岩的破损形貌。通过实验数据与仿真结果对比,验证了移动线形激光破岩温度场分布数值模型的合理性。由激光辐照前后花岗岩密度、孔隙度、单轴抗压强度的变化程度,得到了上述参数下激光对岩石损伤的相关数据,对合理匹配激光、机械两部分相关参数提供了一定数据支撑。     

激光焊接等离子体温度场测量及数据处理

应用光谱分析法测量激光焊接光致等离子体的温度场是激光焊接光致等离子体测量技术中的难点.采用基于快速傅里叶变换(FFT)和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法,研究出一种等离子体二维温度场分布的数据处理方法,并进行了计算精度分析.利用该数据处理方法,在取样点为41个的时候,得到的标准误差e大约为3.23×10-2.同时,进行了焊接试验,采用多通道光谱仪观测孔外光致等离子体,利用所提出的新方法实现了试验数据的处理,获得激光焊接孔外等离子体的温度场.计算得出的温度场呈相对于光束中心的四周低中间高的趋势.     

准直光束高斯特征对直写光斑强度的影响

通过建立非理想准直光束残余高斯特征的功率密度模型,阐述了光束准直效果与功率密度的关系,借助光束通光比例系数对直写光斑强度分布影响的分析,以光斑主瓣、旁瓣的强度和宽度为主要特征,讨论了直写光斑强度及强度分布与光束准直效果的变化规律,确定了合理选取激光直写系统中准直扩束比例系数的原则.通过仿真不仅系统阐述了理想准直光束与非理想准直光束所形成的直写光斑形状的差异,还描述了理想准直光束近似计算光斑强度分布时的误差形式,这一结论为激光直写机准直系统设计提供了理论依据.