基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法

摘要

本发明涉及航天航空和汽车工业中胶接碳纤维复合材料预处理领域，具体说是基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法。包括以下步骤：1)通过COMSOL建立三维瞬态温度场模型；2)通过三维激光扫描仪对待测碳纤维复合材料进行扫描，构建碳纤维复合材料的几何模型，通过COMSOL模型开发模块规划激光在几何模型中的移动路径；3)引入脉冲激光热源建立热源模型；4)设定碳纤维复合材料几何模型的材料参数；5)设定碳纤维复合材料几何模型的初始条件和边界条件；6)对碳纤维复合材料几何模型划分不同的网格，通过COMSOL分析模块得到完成后所得的激光扫描速度与温度场的关系。本发明利用COMSOL软件适用于激光清洗碳纤维树脂基复合材料温度场分布数值模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及航天航空和汽车工业中胶接碳纤维复合材料预处理领域，具体说是基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法。

背景技术

碳纤维复合材料广泛应用于各类飞机制造领域，为得到牢固的结合强度，因此需要对碳纤维复合材料表面进行预处理，去除表面过多的脱模剂和杂质。对于涂层的预处理，通常采用研磨、化学腐蚀、机械打磨等手段，此类方法在后续清洁处理以及处理效率中存在着诸多缺点。因此，人们逐渐将目光投入一种新型表面污染物处理技术——激光清洗技术。激光清洗技术是指利用高能量的脉冲激光照射物体表面，表面污染物、涂层等吸收能量发生一系列复杂物理变化，从而达到清洁表面的效果，具有高效、绿色环保、无接触、精度高等优势。

但是，在激光处理的过程中，温度场的变化是处理质量的关键，这种变化能够有效的辨别出有无损伤基体层表面，但是当前现有技术中这种变化是实验不可测的。因此，利用有限元分析方法研究激光清洗过程，为实验进一步验证，具有一定的指导和参考意义。

发明内容

针对现有激光清洗材料模拟仿真的不足，本发明的目的旨在基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法，包括以下步骤：

1)通过COMSOL建立三维瞬态温度场模型；

2)通过三维激光扫描仪对待测碳纤维复合材料进行扫描，构建碳纤维复合材料的几何模型，通过COMSOL模型开发模块规划激光在几何模型中的移动路径；

3)引入连续激光热源或脉冲激光热源建立热源模型；

4)设定碳纤维复合材料几何模型的材料参数；

5)设定碳纤维复合材料几何模型的初始条件和边界条件；

6)对碳纤维复合材料几何模型划分不同的网格，通过COMSOL分析模块得到完成后所得的激光扫描速度与温度场的关系。

所述步骤2)，包括以下步骤：

(1)通过三维激光扫描仪对待测碳纤维复合材料进行扫描，将碳纤维复合材料表面杂质和脱模剂视为一体，获取待测碳纤维复合材料脱模剂的三维点云数据；

(2)根据脱模剂的几何模型的三维点云数据，对应构建圆柱体作为单个碳纤维，所述碳纤维采用相互垂直排列放置，完成构建碳纤维复合材料的几何模型；

(3)通过COMSOL的模型开发模块，对碳纤维复合材料的几何模型表面设定激光移动路径，碳纤维复合材料的几何模型表面为x-y平面，z坐标取脱模剂的几何模型厚度，设置激光起始点与x或y轴激光运动距离以及激光移动速度，完成激光移动路径的设定；

步骤3)中所述引入激光热源为引入高斯面热源。

步骤3)中所述引入连续激光热源建立热源模型，具体为：

根据连续激光热源I表达式：

其中，P为激光功率，A为材料吸收率，r为激光半径，e

根据激光移动路径，将连续激光热源表达式I改为：

其中，x(t)为x轴任意一点位置到激光作用点的距离，y(t)为y轴任意一点位置到激光作用点的距离，x表示x轴激光运动距离，y表示与y轴激光运动距离。

步骤3)中所述引入脉冲激光热源建立热源模型，具体为：

在连续激光热源表达式中加入脉冲公式，可得脉冲激光热源Q表达式为：

其中，t

设置脉冲形式沿着周期性扩展，设周期性上限为0，下限为T，完成脉冲激光热源的模型建立。

步骤4)中，所述材料参数包括：基体脱模剂和碳纤维层导热系数、密度、恒压热容。

步骤5)中，所述模型的边界条件包括：温度边界条件、热流边界条件和传热边界条件。

步骤5)中，所述模型的所述初始条件包括初始温度、热绝缘边界、广义向内热通量、对流换热和表面辐射。

所述步骤6)具体为：

对不同的材料划分不同的网格，对于脱模剂采用扫掠划分网格方式，对碳纤维层采用自由四面体网格划分；设置计算时间总长为36s，步长为0.1s；

通过COMSOL分析模块得到完成后所得的激光扫描速度与温度场的关系。

所述瞬态温度场模型为三维激光加热温度场模型。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、利用COMSOL模拟软件自定义激光加载热源，规划激光移动路径，适用于激光清洗碳纤维树脂基复合材料温度场分布数值模拟。

2、探测激光作用时实时碳纤维层和基体脱模剂温度变化。

3、测量不同能量密度、运动速度下温度场的变化以及激光功率对清洗深度的影响

4、对于激光清洗新型材料(碳纤维复合材料)工艺参数摸索实验，提供了理论依据和指导意义。

附图说明

图1为本发明的总流程图；

图2(a)为碳纤维垂直排列示意图；

图2(b)为碳纤维复合材料的几何模型图以及预设激光路径示意图；

图3(a)为激光移动速度为3mm/s时x轴函数曲线图；

图3(b)为激光移动速度为3mm/s时y轴函数曲线图；

图4为COMSOL数值模拟中几何模型划分网格图；

图5为计算完成后所得的能量密度对清洗深度的影响图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的方法流程图，基于激光清洗剥离碳纤维材料脱模剂中温度场的模拟方法，包括如下步骤：

(1)建立三维瞬态温度场模型

通过COMSOL软件进行选择空间维度，选择研究对象为“三维”的模型；选择物理场中，并对模型添加固体传热，选择研究为“瞬态”。

(2)几何模型的建立

如图2(a)所示，为本发明碳纤维垂直排列示意图，具体通过以下步骤实现：

(1)通过三维激光扫描仪对待测碳纤维复合材料进行扫描，将碳纤维复合材料表面杂质和脱模剂视为一体，获取待测碳纤维复合材料脱模剂的三维点云数据；

(2)根据脱模剂的几何模型的三维点云数据，对应构建圆柱体作为单个碳纤维，所述碳纤维采用相互垂直排列放置，完成构建碳纤维复合材料的几何模型；

(3)通过COMSOL的模型开发模块，对碳纤维复合材料的几何模型表面设定激光移动路径，碳纤维复合材料的几何模型表面为x-y平面，z坐标取脱模剂的几何模型厚度，设置激光起始点与x或y轴激光运动距离以及激光移动速度，完成激光移动路径的设定；

在另外一个实施例中，可以通过COMSOL软件进行建立几何模型，设定一个尺寸为10mm×10mm×1.1mm的长方体来表示模拟的脱模剂的几何模型。在层选项中，设定顶部0.1mm处为脱模层。设定单个0°排向的碳纤维尺寸为半径0.2mm，高度为10mm长圆柱体。利用阵列选项，将单个碳纤维沿着x轴方向，分布10个一样的长圆柱体，每个间隔为1mm。同理，在设定同样尺寸的单个90°排向的碳纤维，利用阵列选项，将单个碳纤维沿着y轴方向，分布10个一样的长圆柱体，每个间隔为1mm。将0°排向的碳纤维和90°方向选择“并集”，使二者紧密相连，模拟实际树脂基碳纤维复合材料的垂直编织方式排列，均匀分布在基体内。

(4)热源模型的建立

在定义中设置激光热源函数，在理论上连续激光热源表达式为：

式中：P为激光功率；A为材料吸收率；r为激光半径；e

根据自身激光移动路径，将连续激光热源表达式改为：

式中：x(t)为x轴任意一点位置到激光作用点的距离；y(t)为y轴任意一点位置到激光作用点的距离。

对于连续激光和脉冲激光来说，二者的区别在于前者是重频输出，后者为单频输出。因此，在理论连续激光热源表达式中加入脉冲公式，可得脉冲激光热源表达式为：

式中：t

设置脉冲形式沿着周期性扩展，设周期性上限为0，下限为T。

设置激光功率为8W，激光光斑半径为0.05mm，脉冲激光频率为120kHz，能量密度为0.34J/cm

设置激光功率为9W，激光光斑半径为0.05mm，脉冲激光频率为100kHz，能量密度为0.46J/cm

设置激光功率为10W，激光光斑半径为0.05mm，脉冲激光频率为80kHz，能量密度为0.64J/cm

本实施例中的仿真模拟既可以实现激光热源为连续形式也可以为脉冲形式，所用函数都罗列出来，由于实验中大多采用脉冲激光作为热源，所以此实施都采用脉冲激光热源。

(5)激光移动路径示意图

如图2(b)所示，为本发明碳纤维复合材料的几何模型图以及预设激光路径示意图；在模型开发器几何设置工作平面，设置平面为“x-y平面”,z坐标取“1.1mm”。由于采用“之”字型激光运动轨迹，需要在多边形中构建的类型为开放曲线。设定激光起始点x-y坐标分别为(0.4mm，0.5mm)，单个y轴激光运动距离为9mm，单个x轴激光运动距离为0.9mm。为了区分起点和终点，在起点(0.4mm，0.5mm)处绘画一个半径0.2mm的圆。

设置移动速度为3mm/s。具体如图3(a)以及图3(b)所示，激光移动速度为3mm/s时x轴函数曲线图；激光移动速度为3mm/s时y轴函数曲线图；

(6)设置初始及边界条件

设置初始温度为293.15K。设定激光直接照射时，碳纤维复合材料的最底面为热绝缘，边界热源为脉冲激光热源，表面对环境的辐射为用户自定义，对流热通量中传热系数为用户定义。

(7)材料物性参数的设定

分别对几何体1(脱模剂)和几何体2(碳纤维)设定材料属性明细，其中包括导热系数、密度和恒压热容等。

表1

表2

(8)网格划分与计算

如图4所示，为本发明COMSOL数值模拟中几何模型划分网格图，由于几何模型由不同的材质构成，对不同的材料划分不同的网格，对于脱模剂采用扫掠划分网格方式而碳纤维层由于自身特殊性，网格划分单元格要小，采用自由四面体网格划分。进入研究，在设置计算步长为0.1s,总时间为36s，并检查是否有参数设置错误，如图5所示，为计算完成后所得的能量密度对清洗深度的影响图，若无错误则COMSOL软件进入计算得到计算数据进行分析处理。

实施例2：

(1)几何模型的建立

设定一个尺寸为10mm×10mm×1.1mm的长方体来表示模拟的脱模剂的几何模型。在层选项中，设定顶部0.1mm处为脱模层。设定单个0°排向的碳纤维尺寸为半径0.2mm，高度为10mm长圆柱体。利用阵列选项，将单个碳纤维沿着x轴方向，分布10个一样的长圆柱体，每个间隔为1mm。同理，在设定同样尺寸的单个90°排向的碳纤维，利用阵列选项，将单个碳纤维沿着y轴方向，分布10个一样的长圆柱体，每个间隔为1mm。将0°排向的碳纤维和90°方向选择“并集”，使二者紧密相连，模拟实际树脂基碳纤维复合材料的垂直编织方式排列，均匀分布在基体内。

(2)热源模型的建立

在定义中设置激光热源函数，在理论上连续激光热源表达式为：

式中：P为激光功率；A为材料吸收率；r为激光半径；e

根据自身激光移动路径，将连续激光热源表达式改为：

式中：x(t)为x轴任意一点位置到激光作用点的距离；y(t)为y轴任意一点位置到激光作用点的距离。

对于连续激光和脉冲激光来说，二者的区别在于前者是重频输出，后者为单频输出。因此，在理论连续激光热源表达式中加入脉冲公式，可得脉冲激光热源表达式为：

式中：t

设置脉冲形式沿着周期性扩展，设周期性上限为0，下限为T。

设置激光功率为9W，激光光斑半径为0.05mm，脉冲激光频率为100kHz.

本模拟既可以实现激光热源为连续形式也可以为脉冲形式，所用函数都罗列出来，由于实验中大多采用脉冲激光作为热源，所以此实施都采用脉冲激光热源。

(3)激光移动路径示意图

在模型开发器设定几何模型的“工作平面”，设置平面为“x-y平面”,z坐标取“1.1mm”，由于采用“之”字型激光运动轨迹，在多边形中构建的对象类型为“开放曲线”。设定激光起始点x-y坐标分别为(0.4mm，0.5mm)，单个y轴激光运动距离为9mm，单个x轴激光运动距离为0.9mm。为了区分起点和终点，在起点(0.4mm，0.5mm)处绘画一个半径0.2mm的圆。

设置移动速度为3mm/s，设置移动速度为6mm/s，设置移动速度为9mm/s

设置初始及边界条件

设置初始温度为293.15K。设定激光直接照射时，碳纤维复合材料的最底面为热绝缘，边界热源为脉冲激光热源，表面对环境的辐射为用户自定义，对流热通量中传热系数为用户定义。

(4)材料物性参数的设定

分别对几何体1(脱模剂)和几何体2(碳纤维)设定材料属性明细，其中包括导热系数、密度和恒压热容等。

(5)网格划分与计算

由于几何模型由不同的材质构成，对不同的材料划分不同的网格，对于脱模剂采用扫掠划分网格方式而碳纤维层由于自身特殊性，网格划分单元格要小，采用自由四面体网格划分。在设置第一个计算步长为0.1s,总时间为36s；第二个计算步长为0.1s,总时间为18s；第三个计算步长为0.1s,总时间为12s。并检查是否有参数设置错误，若无错误则确认COMSOL软件进入计算，计算完成后通过COMSOL软件对计算数据进行分析处理。

显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例,而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。