PID法控制激光热应力切割及相关参数的影响研究

摘要

激光热应力切割法是通过热应力诱导脆性材料的裂纹扩展以分割材料的一种非接触切割方法，为提高切割质量和仿真效率本文在已有工作的基础上进行了以下三方面研究。 第一方面考察了随温度变化的材料参数对热传导、热应力及裂纹扩展仿真的影响。利用有限元法和热传导理论，分析脆性材料在激光扫描过程中的瞬态温度场，结合热弹性平面应力理论计算裂纹尖端的应力场，再根据断裂准则并采用节点松弛法模拟裂纹扩展。运用这种方法进行考虑材料参数随温度变化情况的切割仿真，将结果与材料参数不随温度变化的情况进行比较，对比分析了温度最高值、不同应力区的应力极值以及可完成切割的激光参数范围。 第二方面考察了PID参数控制对路径迭代收敛性的影响。利用PID控制方法建立了路径迭代公式以优化激光扫描路径。首先强制裂纹按照预定路径扩展，得到每个扩展步的扩展方向相对于强制扩展方向的偏转角，然后根据偏转角估计两个路径之间的偏差，利用迭代公式反复迭代直到每个扩展步裂纹扩展方向与预定的扩展方向一致，对路径迭代公式中的PID参数进行优化分析，从而缩短迭代收敛时间。 第三方面尝试分析了修正的初始路径对迭代收敛性的影响。针对某些路径的切割仿真，建立了修正初始路径的优化迭代方法。多次仿真分析结果表明，初始路径对迭代收敛性有很大影响，它关系到迭代收敛速度，甚至能不能收敛。

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第一章绪论

1.1引言

1.2激光加工

1.2.1激光加工的本质与特点

1.2.2激光切割

1.3 PID参数整定及自整定

1.3.1 PID参数整定

1.3.2 PID参数自整定

1.4本文主要研究内容

第二章激光热应力切割及路径控制的基本理论

2.1热弹性理论

2.2线弹性断裂力学理论

2.1.1裂纹尖端的渐近应力场

2.1.2断裂判据与断裂方向

2.3激光切割的有限元理论

2.3.1有限元法概述

2.3.2热传导分析理论

2.3.3热应力分析

2.3.4裂纹扩展分析

2.4路径控制理论

2.4.1激光热应力切割法及其问题

2.4.2 PID控制方法

2.4.3路径迭代算法

第三章温度相关材料参数对切割的影响

3.1有限元模型

3.2热传导仿真比较

3.3热应力仿真比较

3.4裂纹扩展仿真比较

第四章PID参数选择对迭代收敛性的影响

4.1比例加积分(PI)参数控制下的切割

4.2比例积分加微分(PID)参数控制下的切割

第五章初始路径对收敛性的影响

5.1直线与圆弧相接的激光路径切割仿真

5.2有角度的激光路径切割仿真

第六章结论与展望

参考文献

致谢