CN113673122A - 一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，包括以下步骤：S1建立简化模型；S2激光参数变化特征分析；S3建立数据库；S4设计清扫方案；S5评估清扫效率；本发明中，利用软件仿真，实现用有限元方法对激光作用于覆盖污秽层的复合绝缘子表面的物理现象进行模拟，对过程中的温度和热应力在时间和空间上的变化进行数值计算，获得三维温度场和应力场分布图；从激光与复合绝缘子上污秽相互作用的热传导方程出发，并利用仿真计算求解不同激光作用条件下、不同污秽层情况下温度场和应力场，为激光清洗的实验与装置设计提供一定的规律参考。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法。
背景技术
脉冲式的激光清洗的过程依赖于激光器所产生的光脉冲的特性，基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。其物理原理可概括如下：a)激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收。b)大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体(高度电离的不稳定气体)，产生冲击波。c)冲击波使污染物变成碎片并被剔除。d)光脉冲宽度必须足够短，以避免使被处理表面遭到破坏的热积累。e)实验表明当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。
等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生，这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。这个阈值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值，则基底材料将被破坏。为在保证基底材料安全的前提下进行有效的清洁，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间。因此如何控制调整参数，是脉冲激光清洗运用中的问题之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，包括以下步骤：S1建立简化模型；建立符合绝缘子的简化模型以及激光的空间分布模型；S2激光参数变化特征分析；通过改变激光作用时长、激光功率、光束角度、清洗材质分析激光作用的实际区域和洁污能力；S3建立数据库；通过在不同污秽条件下进行激光清洗，建立不同污秽条件下激光的清扫数据库；S4设计清扫方案；通过数据分析与规律测试的手段建立混合物清洗阈值参数，数据来源为对混合物的仿真结果，并对照单种物质的阈值数据，据此提出混合物的清扫规律和清扫参数设置方法；计算混合物的阈值功率、分析激光角度变化情况的阈值规律，分析清扫过程中参数设置的可行性；S5评估清扫效率；对激光扫描进行短时仿真计算，判断清扫程度。
优选的，在S4设计清扫方案的步骤中，其包括以下具体实施步骤：S41分析具体已知条件；当前污秽附着密度rx＝ESDD+NSDD，并由成分分析取得质量比换算出各成分的面积分数Si，以及仿真形成的各污秽成分的阈值功率与污秽附着密度r的数值关系Ici-r，Idi-r，其中i为成分编号；S42混合物阈值区间估计；先使用当前污秽附着密度rx对各成分的阈值功率数值关系进行插值取数，形成Ici(rx)，Idi(rx)；再根据混合规则
分别计算混合物的阈值功率Ic、Id；S43预设参数；按照仿真参数预先设定一个单点照射时间T0或扫描速度v0，效率需求为er。
优选的，其中S43预设参数中包括两种分析步骤；S431记清洗面积效率e，对单点固定照射，清洗面积效速率表示为清洗面积除以默认作用时间e＝S/T0，记清洗直径为d，则有
如果以扫描度v来描述，则清洗面积S＝v*d，可推导对应于仿真中单点作用典型时间T0的典型扫描速度v0＝d0/T0，d0为对应清洗阈值Ic时定义的清洗直径；S432清洗直径正比于光功率，即
由效率需求e≥er，代入上述关系可计算出光功率需求下限为
如果算得Im<Ic，可能不满足基本的清洗条件，此时可指定Im＝Ic；以自定规则选择适当的作用功率，可综合考虑清扫效率与HTV温度安全性，取功率下限与破坏阈值的平均Iu＝(Im+Id)/2为作用功率；取定光功率后，核算清洗直径
则绝缘表面扫描时设置的行间距为du。
优选的，在S4设计清扫方案的步骤中；a.混合物阈值功率的计算；阈值光功率公式为
Si是各成分的面积分数，Ii是各成分的阈值功率，包括清洗阈值、破坏阈值；阈值结果与仿真结果对比的误差小于3.2％；b.分析激光角度变化的影响；作用能量密度与光功率、作用时间、入射角度的关系：W＝I*t*Sin[f]/dg2。
优选的，在S1建立简化模型的步骤中，包括复合绝缘子的模型建立和激光的空间分布模型建立；S11复合绝缘子模型建立；复合绝缘子具有较为复杂的形状，其主体结构包括芯棒及覆盖其上的绝缘层、绝缘伞裙，其曲率尺寸在厘米以上，对比激光光斑半径在mm量级，考虑激光光斑尺度上的物理变化时，绝缘表面可近似认为是平面，从而简化模型设置；S12激光的空间分布模型建立；考虑到激光作用的散热效应以及激光在空间中的衰减，得到高斯激光空间分布模型。
优选的，在S43预设参数的分析步骤中，少数极端情形下，计算得到的Im>Id，则不满足清洗条件，其本质对应于清扫效率不够；该情况可通过缩小设定的作用时长T、增加扫描速度v，使得应设功率增大，从而整体加快清扫以满足效率；由于定点照射时长的作用效果与功率对等，则仿真给出的清洗直径d0乘比例系数T/T0进行调整，以及功率阈值Ic、Id均乘反比例T0/T调整后进入设置计算，此时可容许更大的作用功率；扫描速度描述下，其因子与时长相反，以扫描速度形成的调整系数应取与时长系数相反的倒数。
优选的，在S1建立简化模型的步骤中，运用的仿真平台为COMSOL Multiphysics。
本发明的有益效果为：本发明中，利用软件仿真，实现用有限元方法对激光作用于覆盖污秽层的复合绝缘子表面的物理现象进行模拟，对过程中的温度和热应力在时间和空间上的变化进行数值计算，获得三维温度场和应力场分布图；从激光与复合绝缘子上污秽相互作用的热传导方程出发，并利用仿真计算求解不同激光作用条件下、不同污秽层情况下温度场和应力场，为激光清洗的实验与装置设计提供一定的规律参考。
附图说明
图1为本发明所述绝缘子几何模型的结构示意图；
图2为一维高斯光束分布图；
图3为混合物清扫方案的逻辑框图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图3，一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，包括以下步骤：S1建立简化模型；建立符合绝缘子的简化模型以及激光的空间分布模型；S2激光参数变化特征分析；通过改变激光作用时长、激光功率、光束角度、清洗材质分析激光作用的实际区域和洁污能力；S3建立数据库；通过在不同污秽条件下进行激光清洗，建立不同污秽条件下激光的清扫数据库；S4设计清扫方案；通过数据分析与规律测试的手段建立混合物清洗阈值参数，数据来源为对混合物的仿真结果，并对照单种物质的阈值数据，据此提出混合物的清扫规律和清扫参数设置方法；计算混合物的阈值功率、分析激光角度变化情况的阈值规律，分析清扫过程中参数设置的可行性；S5评估清扫效率；对激光扫描进行短时仿真计算，判断清扫程度。
在本实施例中，在S4设计清扫方案的步骤中，其包括以下具体实施步骤：S41分析具体已知条件；当前污秽附着密度rx＝ESDD+NSDD，并由成分分析取得质量比换算出各成分的面积分数Si，以及仿真形成的各污秽成分的阈值功率与污秽附着密度r的数值关系Ici-r，Idi-r，其中i为成分编号；S42混合物阈值区间估计；先使用当前污秽附着密度rx对各成分的阈值功率数值关系进行插值取数，形成Ici(rx)，Idi(rx)；再根据混合规则
分别计算混合物的阈值功率Ic、Id；S43预设参数；按照仿真参数预先设定一个单点照射时间T0或扫描速度v0，效率需求为er。
在本实施例中，其中S43预设参数中包括两种分析步骤；S431记清洗面积效率e，对单点固定照射，清洗面积效速率表示为清洗面积除以默认作用时间e＝S/T0，记清洗直径为d，则有
如果以扫描度v来描述，则清洗面积S＝v*d，可推导对应于仿真中单点作用典型时间T0的典型扫描速度v0＝d0/T0，d0为对应清洗阈值Ic时定义的清洗直径；S432清洗直径正比于光功率，即
由效率需求e≥er，代入上述关系可计算出光功率需求下限为
如果算得Im<Ic，可能不满足基本的清洗条件，此时可指定Im＝Ic；以自定规则选择适当的作用功率，可综合考虑清扫效率与HTV温度安全性，取功率下限与破坏阈值的平均Iu＝(Im+Id)/2为作用功率；取定光功率后，核算清洗直径
则绝缘表面扫描时设置的行间距为du。
在本实施例中，在S4设计清扫方案的步骤中；a.混合物阈值功率的计算；阈值光功率公式为
Si是各成分的面积分数，Ii是各成分的阈值功率，包括清洗阈值、破坏阈值；阈值结果与仿真结果对比的误差小于3.2％；b.分析激光角度变化的影响；作用能量密度与光功率、作用时间、入射角度的关系：W＝I*t*Sin[f]/dg2。
在本实施例中，在S1建立简化模型的步骤中，包括复合绝缘子的模型建立和激光的空间分布模型建立；S11复合绝缘子模型建立；复合绝缘子具有较为复杂的形状，其主体结构包括芯棒及覆盖其上的绝缘层、绝缘伞裙，其曲率尺寸在厘米以上，对比激光光斑半径在mm量级，考虑激光光斑尺度上的物理变化时，绝缘表面可近似认为是平面，从而简化模型设置；S12激光的空间分布模型建立；考虑到激光作用的散热效应以及激光在空间中的衰减，得到高斯激光空间分布模型。
在本实施例中，在S43预设参数的分析步骤中，少数极端情形下，计算得到的Im>Id，则不满足清洗条件，其本质对应于清扫效率不够；该情况可通过缩小设定的作用时长T、增加扫描速度v，使得应设功率增大，从而整体加快清扫以满足效率；由于定点照射时长的作用效果与功率对等，则仿真给出的清洗直径d0乘比例系数T/T0进行调整，以及功率阈值Ic、Id均乘反比例T0/T调整后进入设置计算，此时可容许更大的作用功率；扫描速度描述下，其因子与时长相反，以扫描速度形成的调整系数应取与时长系数相反的倒数。
在本实施例中，在S1建立简化模型的步骤中，运用的仿真平台为COMSOLMultiphysics。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1建立简化模型；建立符合绝缘子的简化模型以及激光的空间分布模型；
S2激光参数变化特征分析；通过改变激光作用时长、激光功率、光束角度、清洗材质分析激光作用的实际区域和洁污能力；
S3建立数据库；通过在不同污秽条件下进行激光清洗，建立不同污秽条件下激光的清扫数据库；
S4设计清扫方案；通过数据分析与规律测试的手段建立混合物清洗阈值参数，数据来源为对混合物的仿真结果，并对照单种物质的阈值数据，据此提出混合物的清扫规律和清扫参数设置方法；计算混合物的阈值功率、分析激光角度变化情况的阈值规律，分析清扫过程中参数设置的可行性；
S5评估清扫效率；对激光扫描进行短时仿真计算，判断清扫程度。
2.根据权利要求1所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，在S4设计清扫方案的步骤中，其包括以下具体实施步骤：
S41分析具体已知条件；当前污秽附着密度rx＝ESDD+NSDD，并由成分分析取得质量比换算出各成分的面积分数Si，以及仿真形成的各污秽成分的阈值功率与污秽附着密度r的数值关系Ici-r，Idi-r，其中i为成分编号；
S42混合物阈值区间估计；先使用当前污秽附着密度rx对各成分的阈值功率数值关系进行插值取数，形成Ici(rx)，Idi(rx)；再根据混合规则
分别计算混合物的阈值功率Ic，Id；
S43预设参数；按照仿真参数预先设定一个单点照射时间T0或扫描速度v0，效率需求为er。
3.根据权利要求2所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，其中S43预设参数中包括两种分析步骤；
S431记清洗面积效率e，对单点固定照射，清洗面积效速率表示为清洗面积除以默认作用时间e＝S/T0，记清洗直径为d，则有
如果以扫描度v来描述，则清洗面积S＝v*d，可推导对应于仿真中单点作用典型时间T0的典型扫描速度v0＝d0/T0，d0为对应清洗阈值Ic时定义的清洗直径；
S432清洗直径正比于光功率，即
由效率需求e≥er，代入上述关系可计算出光功率需求下限为
如果算得Im<Ic，可能不满足基本的清洗条件，此时可指定Im＝Ic；
以自定规则选择适当的作用功率，可综合考虑清扫效率与HTV温度安全性，取功率下限与破坏阈值的平均Iu＝(Im+Id)/2为作用功率；
取定光功率后，核算清洗直径
则绝缘表面扫描时设置的行间距为du。
4.根据权利要求1所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，在S4设计清扫方案的步骤中；
a.混合物阈值功率的计算；阈值光功率公式为
Si是各成分的面积分数，Ii是各成分的阈值功率，包括清洗阈值、破坏阈值；阈值结果与仿真结果对比的误差小于3.2％；
b.分析激光角度变化的影响；作用能量密度与光功率、作用时间、入射角度的关系：W＝I*t*Sin[f]/dg2。
5.根据权利要求1所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，在S1建立简化模型的步骤中，包括复合绝缘子的模型建立和激光的空间分布模型建立；
S11复合绝缘子模型建立；复合绝缘子具有较为复杂的形状，其主体结构包括芯棒及覆盖其上的绝缘层、绝缘伞裙，其曲率尺寸在厘米以上，对比激光光斑半径在mm量级，考虑激光光斑尺度上的物理变化时，绝缘表面可近似认为是平面，从而简化模型设置；
S12激光的空间分布模型建立；考虑到激光作用的散热效应以及激光在空间中的衰减，得到高斯激光空间分布模型。
6.根据权利要求3所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，在S43预设参数的分析步骤中，少数极端情形下，计算得到的Im>Id，则不满足清洗条件，其本质对应于清扫效率不够；该情况可通过缩小设定的作用时长T、增加扫描速度v，使得应设功率增大，从而整体加快清扫以满足效率；由于定点照射时长的作用效果与功率对等，则仿真给出的清洗直径d0乘比例系数T/T0进行调整，以及功率阈值Ic、Id均乘反比例T0/T调整后进入设置计算，此时可容许更大的作用功率；扫描速度描述下，其因子与时长相反，以扫描速度形成的调整系数应取与时长系数相反的倒数。
7.根据权利要求1所述的一种最优清扫效率的脉冲激光参数调整方法，其特征在于，在S1建立简化模型的步骤中，运用的仿真平台为COMSOLMultiphysics。
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