激光同轴送粉喷嘴射流场研究

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大.研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析.结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦.喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场.     

激光切割超音速喷嘴的流场特性

为了得到具有优良的射流流场激光喷嘴,设计了一种组合型超音速喷嘴,建立了该喷嘴计算流体动力学(CFD)分析所需的控制方程.其中湍流模型采用标准k-ε方程,计算网格采用三角形非结构网格.基于有限体积法对控制方程进行离散并采用耦合式求解器求解.利用SIMPLEC算法解决速度与压力耦合问题,进而实现对喷嘴流场分析.分析结果表明超音速喷嘴最佳入口压力就是其设计压力(7×105Pa),此时其射流流场特性最好,适合于高速、大厚度激光切割.将CFD分析结果与已有纹影图实验方法的结果进行对比,发现二者具有较好的一致性,证明了CFD方法的可行性.     

两种激光切割超音速喷嘴结构设计与辅助气体流场分析

对简易折线缩放喷嘴和基于霍耳(Hall)设计方法的复杂喷嘴外流场中压力分布,以及马赫盘位置变化等特性进行了分析.详细比较了这两种喷嘴气流场动力学性能之间的差别,揭示了两种喷嘴动力学性能的差别随工作压力增加越来越小的趋势.分析表明在高压状况下为减少激光切割的成本,用简易折线结构超音速喷嘴替代复杂流线结构喷嘴是可行的.     

激光流速仪测量离心泵叶轮内流场特性研究

考虑到传统方法在测量离心泵叶轮内流场特性时受到实验硬件设施的影响,存在忽视测量区域的问题,提出了激光流速仪测量离心泵叶轮内流场特性研究。利用激光流速仪数值模拟了离心泵叶轮内流场特性的测量,弥补了流场特性测量在硬件设施上的不足,深入研究了离心泵叶轮内流场地分布、结构演变以及动静干涉,实现离心泵叶轮内流场特性的测量。实验结果表明,利用激光流速仪测量离心泵叶轮内流场特性时,叶轮内干涉区、隔舌附近以及离心泵叶轮后缘位置处的流场分布比较紊乱,存在复杂的流动现象,在测量离心泵叶轮内流场特性时应该加以重视。     

基于直边衍射的高斯激光驻波场仿真

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于标量光学理论,采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明,高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象,两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍;随着束腰的增大,高斯激光的衍射越接近平面波;中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小;直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波;这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质;并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。     

基于双缝干涉水导激光打孔的仿真研究

水导激光加工技术具有热效应小、精度高、无刀具损坏等优点,被应用到高精度元件的加工中。为减小激光聚焦光斑直径以利于激光与水射流的精确耦合、提高激光孔的质量,提出了基于双缝干涉原理以减小激光聚焦光斑直径的方法。构建了传统水导激光和双缝干涉水导激光打孔的几何模型和数学模型;基于COMSOL分别进行仿真,对比和分析了在激光束参数、加工条件均相同的条件下,传统水导激光和双缝干涉水导激光打孔时对激光孔轮廓的演化、热影响区域分布和重铸层大小的影响。结果表明:与传统水导激光相比,采用双缝干涉水导激光加工技术能有效地减小激光孔直径、锥角、热影响区域宽度和重铸层大小,在现有条件下进一步减小激光聚焦光斑直径。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法

喷雾角度是工业喷嘴的关键性能指标,如何精确地测量喷雾角度直接影响着工业喷嘴的应用效果及其发展潜力,为此,提出基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法。定义工业喷嘴喷雾角度(以射流边界辅助切线之间的夹角作为喷雾角度),并以此为基础,引入激光干涉仪搭建工业喷嘴喷雾角度测量模型,确定喷雾角度测量公式。深入分析喷雾角度测量误差(环境误差与非线性误差),通过恒温保障及其纯软件方式补偿环境误差与非线性误差,即可实现工业喷嘴喷雾角度的精确测量。实验数据显示：应用提出方法获得的喷雾角度测量灵敏度参数高于给定的标准阈值,喷雾角度测量误差低于最低限值,充分证实了提出方法喷雾角度测量性能较佳,能够满足现今工业喷嘴应用需求。     

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

基于水辅助激光加工的水层流动特性的研究

为了研究水辅助激光加工靶材上方水层流动的特性,采用流体动力学分析软件FLUENT,对3种不同结构的水辅助激光加工的水流装置进行建模仿真,分析了靶材上方流体的速度场,并对结果进行对比分析。结果表明,由垂直于靶材上方的速度位置图的分析可知,装置结构的差异使得流场也具有差异性; 靶材上方1cm以内位置,流体速度平稳,有利于传输激光,排出熔渣和放置加工材料。这对选择水辅助激光加工构建控制水层流动的装置提供了理论依据。     

激光多普勒细水雾雾场特性实验研究

结合细水雾的特点和粒子的光散射理论,对三维APV(adaptivephase/Dopplervelocimeter)的光路系统设计了合适的参数,并进行了合理地布局。对细水雾雾场进行了实验研究,细水雾的速度分布、滴径分布以及雾通量的测量等都得到了合理的实验结果。     

基于激光多普勒测速的流场测试技术

激光多普勒测速技术,作为一种非接触式测速技术,具有测速精度高,测速范围广,空间分辨率高,不影响流场分布、可测远距离速度场等优点。因此多普勒测速技术已经在众多领域中得到广泛的应用。本文主要从理论上对激光多普勒测速技术进行分析,从实验角度阐述了激光多普勒测速技术的工作机理。并对激光多普勒测速技术在内燃机中流场测试应用的可行性进行分析,最后介绍了多普勒测速技术在内燃机流场测试中的应用和国内外发展情况。     

基于图像处理的激光远场光斑仿真方法

提出了一种基于图像处理的激光远场光斑仿真方法,通过对已有特定条件下的远场光斑图像进行处理,仿真出在各种条件下类似的光斑图像,并对这种方法进行了实现。然后分析指出了该方法不尽完善之处,并提出了解决的办法。     

基于ABAQUS的金属粉末激光直接烧结温度场模拟

金属粉末激光直接烧结成形是激光快速制造技术重要的发展方向。为了掌握激光烧结中熔池的加热和冷却规律及各烧结道之间的相互影响,综合考虑热传导、热辐射和热对流及变热物性参数,基于ABAQUS平台建立了移动热源作用下的三维瞬态金属粉末激光末激光多道烧结温度场的有限元模型,利用用户子程序DFLUX实现热源移动,通过定义潜热来处理相变的影响,以水雾化铁粉作为烧结材料进行了模拟,摸拟结果与先前实验结果吻合较好。同时模拟结果表明此计算模型有助于估计实验激光功率密度,烧结密度及烧结深度;并为后续的残余应力的精确计算做好了准备。     

浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

激光相位多普勒诊断射流卷吸细水雾雾场特性的实验研究

ＡＰＶ（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅ／Ｄｌｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）系统基于多普勒频移和多普勒相位差原理,可以自适应地进行微粒的大小及速度测量,本文利用粒子散射理论对ＡＰＶ系统进行了合理地布局,并对射流卷吸细水雾场特性进行实验研究。     

导光镜镜面温度场的模拟分析

为降低导光镜镜面热变形,采用有限体积法求解三维湍流传热方程,获得了镜面激光辐照区的温度场。文中主要讨论了激光功率、辐照时间、冷却液流速、镜体材料、流道与镜面距离等因素对镜面温度场的影响,并以辐照区平均温度和标准温度偏差作为主要指标进行冷却效果评价。结果表明,激光功率越大,各个方向上的温度越大;激光辐照发生的初始阶段温升增加较快,后期趋于平缓;流速越大,平均温度越低,标准温度偏差越小;镜体材料的性质对温度场也有不同影响;流道与镜面距离对铜镜的温度场影响不大。     

一种内嵌喷嘴差压式FBG流量传感器

针对传统液压系统流量测量中存在的传感器体积 较大、测量精度不高等问题,研究并设计一 种内嵌喷嘴差压式光纤 Bragg 光栅(FBG ) 流量传感器。在分析 FBG 及差压式流量测量原理的基础上, 选用标准喷嘴作为节流元件,通过将 FBG 沿径向粘贴于圆形平面膜片上,敏感被测流体经过喷嘴节流口 后在两侧所产生的压力差。推导了 FBG 中心波长偏移与被测流体流量变化之间存在的数学关 系,并通 过试验平台测量了传感器的静压特性以及动态流量特性。测试结果表明,传感器中 FBG 平面膜片的静压力 差压灵敏度为 0.712nm/MPa ,而差压式 FBG 流量传感器的灵敏度为 0.067L/s 。本文传感器具有测量精度高、 体积较小和环境适应能力强等优点,且易于实现传感复用并构成准分布式检测网络。     

基于改进人工势场法的机器入路径规划研究

传统人工势场法在机器人路径规划中存在障碍物附近目标不可达（GNRON）和局部极小值问题,针对目标不可达问题,使用改进斥力场函数的方法.针对局部极小值问题,在改进人工势场法的基础上,利用随机逃离和沿等势线逃离的方法,并且对此方法进行分析和改进,改进后的方法优化处理了机器人的避障路径.仿真结果证明了此方法的有效性.