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[精品]3D激光熔覆陶瓷_金属复合涂层温度场的有限元仿真与计算■
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激光划痕法膜基界面的温度场及应力场分析
□ 冯爱新 程昌 殷苏民 周建忠 唐翠屏
摘　要:为了对膜基系统的温度分布和应力分布进行模拟研究，采用ANSYS有限元分析软件，对高斯移动激光加载条件下TiN薄膜的温度场和由温度场产生的应力场进行了稳态分析。研究结果表明，温度场随激光光源的移动而移动，温度场中温度最大点在激光光斑中心处，且激光光源移动方向后方的温度场有较大的迟滞现象。在膜基系统中产生的应力场主要集中在薄膜内部。温度场和应力场的研究对探讨膜基系统失效进程具有重要意义。
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基于ANSYS的激光熔覆的数值模拟.pdf
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· 机械制造与研究 ·
仇卫华，等 ·基于ANSYS的激光熔覆的数值模拟
基于ANSYS的激光熔覆的数值模拟
仇卫华 。刘长毅
(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)
摘 要：利用ANSYS对激光熔覆过程进行了数值模拟 ，考虑了热源模型、相变潜热、表面效应
单元等。分析了整个激光加工过程中温度场的变化过程，以及激光各个参数对材料最高温度
与最大冷却速率的影响，并且分析了熔覆层宽度与激光各个参数之间的关系。
关键词：激光熔覆；数值模拟；ANSYS；温度场
中图分类号 ：TG665
文献标识码 ：A
文章编号：08)01-0013-03
NumericalSimulationofLaserCladdingBasedonANSYS
QIUWei—hua，LIUChang—yi
(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)
Abstract：ThispapersimulatesthelasercladdingprocessbasedonANSYS，considenngtheheatmodel，phasechangelatentheat
andsurfaceeffectunits，andanalyzesthetemperaturefieldchangeintheentirelasercladdingprocess，theeffectofthe laserpa—
rametersonthematerialhighesttemperature，maximum coolingrate，therelationshipbetweenthelasercladdingwidthandthelaser
parameters．
Keywords：lasercladding；numedcalsimulation；ANSYS；temperaturefield
式中：g=~p／zrR 为热源密度的最大值；
R——高斯热源分布的外径；
P——功率；
激光熔覆是材料表面熔融强化技术的一种重要方法，
叼——材料的对激光的吸收率；
它是利用高能密度激光束将具有不同成分和性能的合金
r——其余点离加热斑点中心的距离。
与基体表面快速熔化，在基体表面形成与基体具有不同成
用以上方法算出单位体积的生热率 ，利用ANSYS的
分和性能的合金层的快速凝 固过程。但是由于激光热处
APDL语言，将这一载荷取为时问的函数，从而实现移动
理受到如激光束的功率、模式、波长 、光斑尺寸、扫描方式
热源的加载。
及扫描速度、材料的冶金及热物理特性 、试样 的几何尺寸
及其表面状态等多参数的综合影响，另外激光加热和冷却
1．3 相变潜热的处理
速度很快，导致人们难以用实验的方法直接测量其瞬时温
在激光热处理中，当零件发生组织转化时会吸收(加
度分布，难以对相变过程和机理进行深入研究。本文基于
热过程)或释放(冷却过程)潜热。在 ANSYS中通过定义
正在加载中，请稍后...|0微博Qzone微信激光定位系统的原理方案设计　　系统工作原理　　在筑路工程中，高速公路有是需要穿越铁道，为了不影响铁道的正常通行，一般采用筑路机械在铁轨下挖出一条隧道。在挖掘过程中，需要及时获取铁道的变形量，提供给筑路机械，控制相应的机构保持铁道的位置。如图1所示，是一个采用激光定位的系统。图1& 测试系统示意图&&&&&&&&系统由激光指向装置和高精度激光定位装置组成，激光指向装置给出铁道原有位置，高精度激光定位装置探测激光光斑的位置。激光定位装置实际上是&& 一个激光光斑测量仪，安装距离应在300m左右。在300mm处光斑不大于10mm，激光功率5mW以上。激光接收屏240mm*160mm，分辨率1左右。防震，防水，防潮，考虑光线变化问题。仪器使用现场具备220V交流电。&&&&&&& 激光指向装置功能：&&&&&&& 1.&& 激光指向装置提供距离测试功能和两束处于同一水平线上的激光光束。&&&&&&& 2.& 激光指向装置有激光测距仪，两个高性能激光指向器，高精度水平定位装置和调节机构组成。&&&&&&&& 高精度激光定位装置：高精度激光定位装置由光学系统、光敏器件、处理电路和防护装置组成，如图2所示：图2& 激光定位结构框图&&&&&&& 光学系统将激光光束成像在光敏器件上，由处理电路完成激光光斑中心位置的分析和输出。当被测物体发生位移时，投射屏随之发生相同位移，由激光指向装置发射的激光束投射到投影屏上所形成的光斑也将随之发生位移，光斑信号被图像位移传感器提取后进行实时处理，获得光斑中心位置，并根据标定的坐标原点，计算出光斑中心的位移大小，输出光斑的实际坐标。&&&&&&&& 激光定位系统的基本原理就是利用光斑定位器件将目标位置的变化调制成光斑位置的改变，从而达到对目标进行遥测和非接触式位置测量的目的。因此光斑位置的确定是测量的关键。光斑位置可以用光斑的几何中心或者能量中心来表征。由于激光定位系统中采用的光斑定位器件是二维的图像传感器，它采集到的是反映光斑整体几何形状的二维图像，而一般来说光斑的几何形状都是不规则的，因此光斑的几何中心很难确定。为止，考虑用光斑能量的中心来表征光斑的位置，而光斑能量的中心可用中心法求得。光斑测量如图3。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图3& 光斑测量示意图&&&&&&& 其中，L为接收屏到透镜组的距离；l为CMOS到透镜组的距离；f为透镜组的像方焦距。&&&&&&&& 入射激光光束在接受屏上形成光斑，光斑经透镜组成像在CMOS光敏面上。光斑移动产生CMOS上的光斑也随之产生位移。&&&&&&&& 系统的主要技术指标：&&&&&&&& 光斑测量范围：240mm*160mm&&&&&&&& 测量精度：1mm&&&&&&&& 测量分辨率：0.5mm&&&&&&&& 测量结果输出：RS232&&&&&&&& 激光与一起距离：300m以上，具体视激光光束而定。&&&&&&&& 二.精密光斑测量装置&&&&&&&& 精密光斑测量装置由光学系统和图像位移传感器构成，工作原理如图4：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4& 光斑测量装置工作框图&&&&& 激光束经滤光片滤波后，通过光学透镜成像在像平面上，像平面上放置光敏器件采集激光光斑图像，经信号处理电路中DSP芯片滤波、图像分割、二值化后，采用重心算法计算出光斑中心坐标，再通过接口电路输出坐标值。&&&&&&&& 光学结构设计&&&&&&&& 激光束经较长距离到达接收屏时存在衏射和散射，加之大气湍流、尘埃、水汽等影响，在投影靶上所形成的光斑将不再是一个光点，而是存在一些衏射条纹、散射弱光及耀斑，且光斑往往不规则，加之如有强烈的日光照射，原本光斑质量不高，更容易受到干扰。采用窄带滤光片，在信号光通过的时候，使大部分背景噪声滤除。&&&&&&&& 根据系统的要求，设计一个CMOS物镜&&&&&&&& 系统主要技术指标要求光学系统总长应控制在150mm以内。&&&&&&&&& 物镜结构&&&& 由于系统具有短焦大现场的特点，因此，在像差校正阶段，受视场影响较大的畸变和场曲的校正尤为重要。如图5。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5& 物镜结构示意图&&&&&&&&& 分辨率&&&& 根据系统分辨率的要求，我们选择具有较高分辨率的CMOS传感器，其像素尺寸为5.6*5.6微米。系统焦距为2.2mm，后截距为2.4mm.有&&&&&&& 因此，系统的测量分辨率满足设计要求。&&&&&&&& 图像位移传感器算法设计&&&&&&& 基于视频采集的二维激光位移测量方法和激光图像位移测量方法利用CMOS 传感器、DSP器件的连接、在线、自动处理的优点，是一种能够满足高精度、大量程、实时在线、自动测量的位移测量方法。&&&&&&& 图像位移传感器主要由CMOS传感器、DSP、CPLD等构成，其中CMOS传感器采集激光光斑图像，DSP、CPLD将图像处理为灰度图像，然后进行光斑中心运算，通过中心的改变得出激光光斑的移动，同时得到坐标值。&&&&&&& 从精密光斑测量装置测量原理可以看出，求解实时光斑中心坐标，其测量精度主要取决于光斑图像处理算法的选择。&&&&&&&& 激光光斑图像自适应阈值目标分割&&&&& &图像分割一直是图像处理领域中的重点和难点。图像在分割后的处理，如特征提取、目标识别等有依赖图像分割的质量，所以分割被视为图像处理中的瓶颈。在图像分割最初发展的二十年里，人们主要对阈值分割、边缘检测和区域提取进行研究。图像分割技术从兴起到现在，算法上得到了不断的改进和创新，已经取得了很大的进步。但由于图像种类的多样性，很难用一个精确的数学公式来表征图像分割的过程。因此，尽管分割的方法很多，国内外的众多算法中还没有一种对任何图像都适用的分割方法。&&&&&&&& 经过多项试验，最后提出了运用区域生长的原理分割图像的算法，该算法首选选取最佳阈值范围内的一组边缘点作为种子像素，然后根据灰度相似性判断准则生长出目标区域完成目标分割，试验结果证明这种方法对低信噪比图像分割很有效。&&&&&&&&& 现将算法分析如下：&&&&&&&& 先引入&Top-hat& 变化&。基于数学形态学进行的闭合开启运算，操作相当于先取图像结构元覆盖区域内最小灰度，在重新做一遍取最小值后图像灰度的最大值，相当于低通滤波的作用。用原始图像减去形态滤波后的图像得到的差值图像该包含目标和一些虚点。&&&&&&&& 假设输入图像为h，结构元为k，结构元对输出图像对比输入图像进行形态学开操作记为：h-k，表示结构元对输入图像进行形态学的腐蚀运算：&&&&&&&& 提取边缘点&&&&&&&& 提取边缘点常用的算法有微分算法和掩膜算法。Sobel 边缘检测算子是一种常用的一阶微分算子，它利用像素邻近区域的梯度值来计算一个像素的梯度，然后根据一定的阈值进行取舍。它由下式给出&&&&&&&&& Sobel& 算子可采用3*3算子模板，如下式：其中dx，dy 为两个卷积核。一个核对垂直边缘相应最大，而另一个核对水平边缘响应最大。2个卷积的最大值为该点的输出值，其运算结果便是一副边缘幅度图像。&&&&&&&&& 在极端的情况下，有可能会使灰度值大于255，发生数据溢出。这里引入一个衰减因子& Scale ，用它去除中的结果。衰减因子一般取检测模板中所有正因子之和，因此Sobel 算子的衰减因子取4，将可能出现的溢出值降到定义的范围之内。&&&&&& 其中f(i,j)为点(i,j)的灰度值，N=m*n为总像素。由于激光光斑图像中目标的亮度高于背景，因此目标的灰度值必高于由大量较暗背景和少量教亮目标的均值决定的初始阈值To，所以可将初始阈值To定位阈值的下限，它能保证目标的完整分割。用上式计算的初始阈值To，将图像分割成目标与背景两部分，基于激光光斑的特点，设大于To的部分为目标区域C1，计算出C1的灰度均值：&&&&&&&& 生长准则&&&&&&& &&&&&&&&& 激光光斑中心位置的算法比较&&&&& 从系统的工作原理可知，测量精度直接受到像光点位置测量精度的影响。由于CMOS 像元具有一定的几何尺寸，所以从CMOS 获取的图像具有局部积分平滑，采样离散化等特点。这样，所提取目标对象的位移信号精度势必会受到CMOS 像元尺寸的影响。所以，如何消除或抑制CMOS像元尺寸对位移检测系统的影响，精确定位光点中心位置，实现测量的亚像元分辨率具有非常重要的实际意义。常用重心法，快速傅立叶变化法及高斯函数拟合法等提高测量精度。&&&&&&&&& 重心法&&&&&&&& 光点位置可以用光点能量的中心来表征，而光点能量的中心即可用重心法求得，即光能积分重心法。它通过求取目标的数字图像灰度中心来判别物体位置。利用光能积分重心法可达到位移测量的亚像元分辨率。&&&&&&&& 重心法广泛应用于数字图像中不同图像特征的定位系统中，它具有亚像元分辨率。该方法的应用领域包括：三角测量，机器视觉中的边缘探测，以及计量领域等。&&&&&&&&& 对于离散的CMOS输出信号而言，其点信号是对光斑信号在空间上离散化的结果，光斑每个点的能量越大，其信号幅度就越大，那么该点离开起始的距离的权重也越大。中心计算是一个对信号进行积分的过程，整个计算过程如下：&&&&&&&& 傅立叶变换法&&&&&&&& 都收敛，则称广义积分频域信号F(w) 为函数时域信号f(t)的Fourier 变换。&&&&&&&& 傅立叶变化给出了信号的时域与频域相互转换的方法。这种方法可以分析时域信号的频谱，同样也可以根据信号的频谱来再现时域信号。&&&&&&&& 由于实际应用中，所采集和处理的数据信号都是有限数量的离散信号，因此采用有限离散的傅立叶变化对此进行数值分析。&&&&&&&& 有限的离散傅立叶变换的基本表达式为：&&&&&&&&&& 高斯拟合法&&&&&&& 上述两种方法之所以被广泛应用，是因为他们不需要任何关于信号的形状的先验知识。高斯曲线虽然也是非线性函数，但它的各个参数具有明确的物理意义，因而高斯拟合法在测量中具有广泛的应用前景。&&&&&&& 高斯拟合原理&&&&&&& 假设激光光斑在一维空间(x)的光强分布符合高斯分布，采样序列为：(X1,I1),(X2,I2).......(Xn,In)。&&&&&&& 取高斯模板函数为：&&&&&&&& 三种算法的计算结果&&&&&& 对含噪声的具有高斯统计特性的一维光斑信号进行计算模拟，并用标准偏差对光斑中心进行评估。结果表明这三种算法都具有较好的精度（光点）处于边缘的情况除外）。这三种算法的标准偏差与噪声幅值关系图下图6所示。图6&& 三种算法计算光斑中心时的误差随噪声变化的关系曲线&&&&&&&& 这些结果来自于大量的重复测量模拟，而每次模拟中，噪声是不同的，即噪声是不相关的。从图6可以看出，高斯拟合法和傅立叶变换的方差比重心法更小，而三种方法的误差均满足设计要求。经模拟运算，用重心法，傅立叶变换法和高斯拟合法对100帧512采样点的光斑信号进行计算，所用的时间分别是：0.16，1.48，4.34s ，从以上数据可以看出，傅立叶变换法和高斯拟合算法所用的时间分别是重心算法占用时间的9.25和27.125倍，重心算法实现速度快。&&&&&&&&&& 因此，虽然根据系统实施测量及精度要求，采用重心算法计算光斑中心坐标。&&&&&&&& 由于定位系统的测量精度直接受到激光像点光斑位置测量精度的影响，因此，为了精确定位光点中心位置，实现测量的亚像元分辨率，从光学系统消除噪声和通过软件算法去除干扰噪声两方面出发，光学系统除噪采用滤光镜，算法方面采用图像自适应阈值目标分割方法，消除噪声影响，提高信噪比。同时，对常用的重心法，傅立叶变换法及高斯拟合法等几种算法进行了比较，分析，最终选用重心法来进行光斑中心的计算。收藏5800本文为OFweek公众号作者发布，不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题，请联系举报。+关注文章页右侧位置300*250
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