CN113673127B - 一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法 - Google Patents

一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，该方法的主要实施步骤为：1、分析得到参数空间；2、通过常规实验方法获取多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据；3、获取复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间拟合公式；4、求取拟合公式中的拟合参数；5、构建复合材料三维空间表面网格模型，确定出网格模型的表面激光功率密度、表面气流速度和气流静压；6：启动复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序的计算流程，按照时间步迭代循环计算，并重新绘制三维空间网格。使用该方法能过快速的、准确的获取复合材料激光烧蚀之后的形貌特性。

Description

一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，特别涉及一种复合材料层合板及复合材料三明治夹层结构材料的激光烧蚀形貌快速获取方法。
背景技术
复合材料强度高、重量轻，在工业制造、航空航天、国防装备等各领域被大量使用。由于激光加工、激光防卫等需求，激光与复合材料相互作用过程一直受到人们的关注。在作用过程中，为了解激光辐照复合材料的烧蚀响应，科研人员采用了实验研究、数值模拟等方法，针对材料温度、烧蚀热、烧蚀失重、烧蚀穿孔时间、烧蚀孔尺寸/面积等烧蚀响应量开展研究。
例如，美国2007年版的《High energy laser(HEL)lethality data collectionstandards》中明确规定了激光毁伤研究中，穿孔时间为应采集的目标响应量之一。在一些需要进行快速评估的应用场景中，人们常常对材料烧蚀穿孔时间、烧蚀孔尺寸/面积等典型效应表征量开展研究，获得工程经验公式，为快速评估提供输入。然而，对多种快速评估应用场景而言，烧蚀穿孔时间、烧蚀孔尺寸/面积等效应表征量提供的信息有限，将其用于快速评估时误差较大。要提高烧蚀后效分析评估的精度，复合材料制备的结构/器件本身的实际烧蚀形貌(包括烧蚀孔实际形态)是必要的输入条件。
数值模拟方法因其经济性、便捷性、产生数据的丰富性等因素被广泛用于计算材料烧蚀形貌。在采用数值模拟方法进行计算时，科研人员通常考虑加入对各种复杂过程的模拟，以提高模型保真度和精度，丰富输出数据类型。但是在实际使用中，数值模拟方法却存在着以下问题：计算过程需耗费大量计算资源，且耗时较长，特别是考虑了复杂物理过程的计算模型，根据计算模型的规模一个算例在主流工作站上计算耗时长达数十分钟甚至几个小时。这对需要快速评估的应用场景而言是远远不能接受的。
而通过常规实验方法预先获得不同参数条件下激光辐照复合材料的烧蚀形貌，实验次数多，导致不仅费用高，而且获得的结果很难插值得到当前激光参数、气流参数条件的实际烧蚀形貌。
因而，目前复合材料激光烧蚀形貌尚缺乏快速有效的评估手段。
发明内容
为了解决采用数值仿真的方式获取复合材料激光烧蚀形貌时存在计算量大，耗时长，无法满足快速评估的问题，以及常规实验方法费用高，并难以插值得到当前激光参数、气流参数条件的实际烧蚀形貌的问题，本发明提供了一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法。
本发明的具体技术方案是：
一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其实施步骤如下：
步骤1：根据激光辐照复合材料的实际应用场景，分析得到参数空间；其中，参数空间包括激光功率密度I的取值范围、复合材料表面气流速度v的取值范围和复合材料表面气流静压p的取值范围；
步骤2：根据步骤1中获取的参数空间要求，通过常规实验方法获取多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据；
步骤3：通过对步骤2中多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据进行分析，得到了复合材料线烧蚀速率拟合公式和烧蚀起始时间拟合公式；
步骤4：在参数空间范围内，根据输入的材料线烧蚀速率、烧蚀起始时间通过常用响应面拟合方法求取线烧蚀速率拟合公式、烧蚀起始时间拟合公式中的拟合参数；
步骤5：在计算机内建立复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序，在获取程序中构建复合材料三维空间表面网格模型，确定出网格模型的表面激光功率密度以及确定网格模型的表面气流速度和气流静压；
步骤6：启动复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序的计算流程，进入材料烧蚀时间步迭代循环计算过程；
根据步骤5中确定的网格模型的表面激光功率密度以及网格模型的表面气流速度和气流静压，计算各网格节点的起始烧蚀时间；
若当前计算时刻未超过网格节点的起始烧蚀时间，则略过该网格节点；
否则根据网格模型的表面激光功率密度以及网格模型的表面气流速度和气流静压，以及步骤3中获得的材料线烧蚀速率拟合公式计算得到该时间步中材料各网格节点处的烧蚀速率，并利用该烧蚀速率和时间步间隔计算出各网格节点的烧蚀深度，之后更新网格节点坐标并重新绘制三维空间网格；
若三维空间网格中前表面网格节点移动到背网格面上时，在对应的节点状态表中标记该节点区域为“穿孔”状态，并将该网格节点绘制为背景色；
步骤7：每次时间步迭代计算结束后，统计处于“穿孔”状态的节点信息，当首次出现该状态节点时，将对应的时刻记为该复合材料的烧蚀穿孔时间；通过空间几何拓扑关系解算，获得烧蚀孔尺寸/面积；其它未处于“穿孔”状态的网格节点空间位置则还原出了材料的烧蚀形貌。
进一步地，上述复合材料线烧蚀速率vablate的拟合公式具体为：
vablate＝a1+b1I+c1v+d1p+e1Iv+f1Ip+g1vp
所述复合材料烧蚀起始时间tstart的拟合公式为具体为：
tstart＝a2+b2I+c2v+d2p+e2Iv+f2Ip+g2vp
其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2为拟合参数。
进一步地，上述网格模型的表面激光功率密度的获取方法为：
根据激光入射角度、功率－时间曲线、光斑分布形态，结合复合材料表面网格节点法向矢量计算，确定出网格模型的表面激光功率密度。
进一步地，上述网格模型的表面激光功率密度的获取方法为：
按照复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序接口规范导入实测激光光斑分布文件，结合材料表面网格节点法向矢量计算，确定网格模型的表面激光功率密度，该方式中由于导入了实测光斑，使得激光烧蚀形貌快速计算更具有实际意义。
进一步地，上述网格模型的表面气流速度和气流静压是按照程序接口规范导入材料表面气流状态数据确定的。材料表面气流状态数据可通过数值模拟、实验测量或采信其他可信外来数据等方式获得。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明明确了烧蚀形貌计算依据的响应表征量及其主要影响因素，确定了烧蚀响应表征量的拟合公式，设计了快速计算算法，可与确立的烧蚀响应表征量和实验数据紧密结合，快速计算给出材料的烧蚀形貌，给出烧蚀穿孔时间、烧蚀孔尺寸/面积等信息，计算耗时可缩短一至两个数量级。
2、本发明在多种烧蚀响应表征量中，确立了线烧蚀速率、烧蚀起始时间为快速计算所依据的响应表征量，并确定了影响响应表征量的主要因素为激光功率密度、材料表面气流速度和静压，不仅减小了计算量和计算耗时，同时极大的方便了后续实验研究的开展。
3、本发明明确了适用的材料线烧蚀速率、烧蚀起始时间的拟合公式，方便后续实验研究的使用。
4、本发明通过网格节点颜色区分烧蚀状态、仅构建材料表面网格节点、结合烧蚀响应表征量减少不必要的计算、优化网格尺寸参数等多种措施联合使用，在满足计算精度较高的条件时实现了烧蚀形貌快速计算，整体计算过程相对数值模拟计算过程耗时缩短了一至两个数量级，为复合材料制备结构/器件的激光烧蚀后效快速评估提供了输入。
5、本发明的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，计算过程采用小时间步迭代计算方法，将整个激光辐照时间划分为许多时间间隔小且连续的时间步，在上一个时间步计算结果的基础上计算下一个时间步内的材料烧蚀响应。
6、本发明通过建立复合材料三维空间表面网格模型，并合理的的调试优化三维空间网格尺寸，从而能够匹配计算精度和耗时均在预定范围内。
附图说明
图1为复合材料激光烧蚀形貌快速计算方法流程。其中，虚线框内为时间步迭代循环计算过程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在多种烧蚀响应表征量中，通过分析确立了线烧蚀速率和烧蚀起始时间作为复合材料烧蚀形貌的计算依据量；并在影响激光辐照复合材料线烧蚀速率、烧蚀起始时间的诸多因素中明确了激光功率密度、复合材料表面气流速度和气流静压为其主要影响因素，并通过以上的主要影响因素建立了复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法。
参见图1，一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，主要实施步骤为：
步骤(1)：根据激光辐照复合材料的实际应用场景，分析得到参数空间；其中，参数空间包括激光功率密度I的取值范围、复合材料表面气流速度v的取值范围和复合材料表面气流静压p的取值范围；
步骤(2)：通过步骤(1)中获取的参数空间，通过常规实验方法获取多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据；
步骤(3)：通过对步骤(2)中多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据进行分析，得到了复合材料线烧蚀速率拟合公式和烧蚀起始时间拟合公式；
复合材料线烧蚀速率vablate的拟合公式具体为：
vablate＝a1+b1I+c1v+d1p+e1Iv+f1Ip+g1vp
复合材料烧蚀起始时间tstart的拟合公式为具体为：
tstart＝a2+b2I+c2v+d2p+e2Iv+f2Ip+g2vp
上述公式中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2为拟合参数；
步骤(4)：在参数空间范围内通过常用响应面拟合方法求取线烧蚀速率、烧蚀起始时间拟合公式中的拟合参数a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2；
步骤(5)：在计算机内建立复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序，在获取程序中构建复合材料三维空间表面网格模型，确定出网格模型的表面激光时空分布以及确定网格模型的表面气流分布；激光时空分布即为激光功率密度；气流分布即为复合材料表面气流速度和复合材料表面气流静压；
需要说明的一点是：
网格模型的表面激光时空分布的确定方式根据实际需求可以分为以下两种：
A：根据激光入射角度、功率－时间曲线、光斑分布形态等输入参数，结合复合材料表面网格节点法向矢量计算，确定出复合材料表面激光时空分布；
B：按照程序接口规范导入实测激光光斑分布文件，结合材料表面网格节点法向矢量计算，确定材料表面激光时空分布；
网格模型的表面气流分布是按照程序接口规范导入材料表面气流状态数据进行确定的。
步骤(6)：启动程序计算流程，进入材料烧蚀时间步迭代循环计算过程；
设定激光辐照总时长为T，将总时长T划分为N个时间步，即t1，t2，…，ti，…，tN，每个时间步的时间间隔为Δt；其中i∈N；
根据步骤(5)中确定的网格模型的表面激光时空分布以及网格模型的表面气流分布，计算各网格节点的起始烧蚀时间；
若第i个时间步对应的计算时刻ti的未超过网格节点的起始烧蚀时间tstart，则略过该网格节点；
若第i个时间步对应的计算时刻ti的超过网格节点的起始烧蚀时间，则利用网格模型的表面激光时空分布以及网格模型的表面气流分布，以及步骤(3)中获得的材料线烧蚀速率拟合公式计算得到该时间步中材料各网格节点处的烧蚀速率，并利用烧蚀速率和时间步间隔Δt计算出各网格节点的烧蚀深度，之后更新网格节点坐标并重新绘制三维空间网格；
若三维空间网格中前表面网格节点移动到背网格面上时，在对应的节点状态表中标记该节点区域为“穿孔”状态，并将该网格节点绘制为背景色；
步骤(7)：每次时间步迭代计算结束后，统计处于“穿孔”状态的节点信息，当首次出现该状态节点时，将对应的时刻记为该复合材料的烧蚀穿孔时间；通过空间几何拓扑关系解算，获得烧蚀孔尺寸/面积；其它未处于“穿孔”状态的网格节点空间位置则还原出了材料的烧蚀形貌。

Claims (6)

1.一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于，包括以下实施步骤：
步骤1：根据激光辐照复合材料的实际应用场景，分析得到参数空间；其中，参数空间包括激光功率密度I的取值范围、复合材料表面气流速度v的取值范围和复合材料表面气流静压p的取值范围；
步骤2：根据步骤1中获取的参数空间要求，通过常规实验方法获取多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据；
步骤3：通过对步骤2中多组复合材料线烧蚀速率和烧蚀起始时间数据进行分析，得到了复合材料线烧蚀速率拟合公式和烧蚀起始时间拟合公式；
步骤4：在参数空间范围内，根据输入的材料线烧蚀速率、烧蚀起始时间通过常用响应面拟合方法求取线烧蚀速率拟合公式、烧蚀起始时间拟合公式中的拟合参数；
步骤5：在计算机内建立复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序，在获取程序中构建复合材料三维空间表面网格模型，确定出网格模型的表面激光功率密度以及确定网格模型的表面气流速度和气流静压；
步骤6：启动复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序的计算流程，进入材料烧蚀时间步迭代循环计算过程；
根据步骤5中确定的网格模型的表面激光功率密度以及网格模型的表面气流速度和气流静压，计算各网格节点的起始烧蚀时间；
若当前计算时刻未超过网格节点的起始烧蚀时间，则略过该网格节点；
否则根据网格模型的表面激光功率密度以及网格模型的表面气流速度和气流静压，以及步骤3中获得的材料线烧蚀速率拟合公式计算得到该时间步中材料各网格节点处的烧蚀速率，并利用该烧蚀速率和时间步间隔计算出各网格节点的烧蚀深度，之后更新网格节点坐标并重新绘制三维空间网格；
若三维空间网格中前表面网格节点移动到背网格面上时，在对应的节点状态表中标记该节点区域为“穿孔”状态，并将该网格节点绘制为背景色；
步骤7：每次时间步迭代计算结束后，统计处于“穿孔”状态的节点信息，当首次出现该状态节点时，将对应的时刻记为该复合材料的烧蚀穿孔时间；通过空间几何拓扑关系解算，获得烧蚀孔尺寸/面积；其它未处于“穿孔”状态的网格节点空间位置则还原出了材料的烧蚀形貌。
2.根据权利要求1所述的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于：
所述复合材料线烧蚀速率vablate的拟合公式具体为：
vablate＝a1+b1I+c1v+d1p+e1Iv+f1Ip+g1vp
所述复合材料烧蚀起始时间tstart的拟合公式为具体为：
tstart＝a2+b2I+c2v+d2p+e2Iv+f2Ip+g2vp
其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2为拟合参数。
3.根据权利要求1所述的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于：网格模型的表面激光功率密度的获取方法为：
根据激光入射角度、功率－时间曲线、光斑分布形态，结合复合材料表面网格节点法向矢量计算，确定出网格模型的表面激光功率密度。
4.根据权利要求1所述的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于：网格模型的表面激光功率密度的获取方法为：
按照复合材料激光烧蚀形貌快速获取程序接口规范导入实测激光光斑分布文件，结合材料表面网格节点法向矢量计算，确定网格模型的表面激光功率密度。
5.根据权利要求1所述的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于：网格模型的表面气流速度和气流静压是按照程序接口规范导入材料表面气流状态数据确定的。
6.根据权利要求1所述的复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法，其特征在于：所述复合材料三维空间表面网格模型的网格节点颜色设置为材料材质颜色，且材料材质颜色与模型背景色有明显区分。
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