纳秒激光刻蚀金属漆层微槽阵列的有限元模型建立方法

本发明涉及激光加工，具体涉及纳秒激光刻蚀金属漆层微槽阵列的有限元模型建立方法。

背景技术：

1、目前，公知的纳秒激光刻蚀金属覆层材料（面向航空器减阻需求的表面漆层）微槽的有限元模拟方法，主要是针对单槽或轴对称单槽的纳秒激光刻蚀三维瞬态模型，该类模型基于傅里叶热传导理论，采用高斯分布热源表征激光能量输入，基于等效热源或简化热力学边界条件的快速模拟方法，将脉冲激光等效为连续热源或降低空间离散精度以减少计算量，并结合变形几何或动网格技术模拟材料的烧蚀去除过程，能够高效精准预测单道扫描条件下微槽的截面形貌与刻蚀深度。然而，当扩展至微槽阵列时，由于刻蚀道次多、相邻微槽间的热累积效应显著，导致三维瞬态模型的计算量呈指数级增长，难以在可接受的计算时间内完成高精度求解。因此，现有技术缺乏一种能够兼顾计算效率与形貌预测精度、适用于金属漆层表面微槽阵列的纳秒激光刻蚀有限元模型建立方法，尚未实现微槽阵列三维形貌及其尺寸的高效、高保真模拟。

技术实现思路

1、克服现有的纳秒激光刻蚀模拟方法仅局限于单个微槽或轴对称单槽、无法兼顾微槽阵列模拟中计算效率与微槽几何形貌预测精度，本发明提供纳秒激光刻蚀金属漆层微槽阵列的有限元模型建立方法，该方法通过分析纳秒激光脉冲空间离散分布特点及其脉冲作用时间，提出扫描路径上激光脉冲同时加载的刻蚀策略，并采用低质量网格自动重新划分技术与变形几何技术，能够在忽略温度场、应力场等热力学结果的前提下，同步高效预测微槽阵列中各微槽的截面形貌与刻蚀深度，从而解决微槽阵列模拟中计算量与精度之间的矛盾，为航空减阻微槽的激光加工工艺参数优化提供高保真、高效率的数值模拟手段。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：纳秒激光刻蚀金属漆层微槽阵列的有限元模型建立方法，包括：

3、步骤1：基于纳秒激光脉冲空间离散分布特征，计算脉冲作用时间，通过调控工艺参数，使扫描路径上相邻激光脉冲的热累积效应小于预设热累积阈值，得到激光脉冲同步加载的约束条件；

4、步骤2：基于相邻激光脉冲热累积效应小于预设热累积阈值的约束条件，设计扫描路径上激光脉冲同时加载的刻蚀策略，确定阵列中所有激光脉冲的空间位置，构建阵列激光热源模型；

5、步骤3：设计纳秒激光刻蚀单槽及其阵列的仿真试验，将步骤2的阵列激光热源模型转化为有限元模型，完成有限元模型准确性验证。

6、优选的，步骤1具体为：根据纳秒激光器功能参数及其刻蚀单槽实验，初步确定待加工金属覆层表面微槽的成型参数，脉冲宽度、光斑半径、激光脉冲能量密度、扫描速度；

7、调控激光扫描速度，基于光斑重叠率求解激光脉冲重叠率：

8、；

9、式中，为激光脉冲重复频率；

10、基于纳秒激光热源模型，代入脉冲宽度、光斑半径、激光脉冲能量密度、金属覆层材料吸收率，得到单个光斑热源分布；其中，为单个光斑在处的热源功率密度；为金属覆层材料吸收率，和分别为以光斑为原点的平面直角坐标；再根据光斑重叠率计算，得到相邻光斑中心距离，确定扫描路径上各个光斑的空间坐标，利用数值绘图软件绘制沿微槽刻蚀路径上各光斑的热源分布图，得到纳秒激光脉冲的空间离散分布特征；同时，通过调控激光脉冲重复频率，以调控激光脉冲之间的时间间隔，最终实现扫描路径上各激光脉冲之间热影响效应小于预设热累积阈值，具体如下：

11、激光脉冲之间的时间间隔，使得前序脉冲残余热量充分耗散，实现相邻脉冲叠加产生的额外温升小于预设热累积阈值；同时，调控过程中结合光斑重叠率公式校核光斑的空间搭接状态，保证微槽能够连续刻蚀成型。

12、优选的，在步骤1的基础上，提出扫描路径上激光脉冲同时加载的刻蚀策略：

13、根据步骤1确定的脉冲宽度、光斑半径、激光脉冲能量密度、扫描速度、激光脉冲重复频率、激光脉冲重叠率、金属覆层材料吸收率以及预设热累积阈值，结合微槽长度对刻蚀深度的影响，确定用于仿真的微槽长度，具体为：

14、设为微槽中心段刻蚀深度随微槽长度变化的函数，设置刻蚀深度相对变化阈值；

15、满足的最小微槽长度记为，作为有限元仿真的单个微槽长度；其中，为微槽长度增量；

16、单个微槽扫描路径上激光脉冲总数量满足：

17、；

18、其中，为向下取整运算符；

19、设为单微槽内脉冲序号，为阵列微槽序号；第条微槽上第个脉冲的高斯热源表达式为：

20、；

21、其中，为相邻微槽的中心线距离，通过相邻微槽中心线距离d控制不同微槽脉冲热源之间的空间距离，抑制跨槽热累积；如果实际产品要求的设计槽间距过小，即便取最小可实现的，跨槽热累积仍然超过阈值，则本同步加载建模方法不再适用，应当采用传统脉冲依次加载仿真模式；

22、阵列全部脉冲同步加载，总热源场为阵列内所有脉冲热源叠加，得到阵列激光热源模型：

23、；

24、同步加载模型同时满足约束：光斑重叠率；同微槽内脉冲叠加额外温升；相邻微槽间脉冲叠加额外温升；为最小允许光斑重叠率，为预设热累积阈值；

25、优选的，步骤3具体包括：

26、根据步骤2确定的单个微槽长度、微槽数量及其中心线距离，确定几何模型的长度和宽度，并根据涂层厚度和目标微槽深度，以建立几何模型；

27、当扫描路径上各激光脉冲之间热影响效应小于预设热累积阈值，将建立的阵列激光热源模型应用于多物理场仿真软件comsol，热源在生效；热源置0，使得阵列全部脉冲热源同一时间区间同步加载，总求解时间为脉冲宽度，实现微槽阵列的纳秒激光高效刻蚀模拟；

28、结合热对流和热辐射，构建微槽阵列刻蚀的物理场，设置激光刻蚀参数和材料的热物性参数，导热系数、密度和恒压热容，设置网格质量阈值，当网格单元质量低于该阈值，自动触发网格重划分；当单元温度达到烧蚀阈值，工件表面边界沿法向发生位移，以精准模拟材料的烧蚀去除过程；

29、分别开展单槽仿真、微槽阵列仿真，测量单个微槽及其阵列的截面轮廓、刻蚀深度以及槽宽与真实刻蚀试验数据对比，计算相对误差，完成有限元模型的准确性验证。

30、本发明具有如下优点：

31、通过分析纳秒激光脉冲的空间离散分布特点及其脉冲作用时间，提出了扫描路径上激光脉冲同时加载的刻蚀策略，并采用低质量网格自动重新划分技术与变形几何技术，建立了面向金属覆层表面微槽阵列的纳秒激光刻蚀有限元模型。该方法基于脉冲间热累积可忽略的前置适用约束，省略脉冲间隔期的长时瞬态温度演化计算，不求解应力场等非目标热力学量，仅关注微槽截面形貌与刻蚀深度，克服了传统单槽或轴对称模型建立方法无法高效处理阵列、简化模型预测精度低的技术缺陷。通过实现各激光脉冲间无热影响及脉冲同步加载，以一个脉冲宽度的作用时间替代传统方法中所有脉冲依次加载的总时长，从根本上解决了纳秒激光脉冲宽度与脉冲周期悬殊所导致的三维瞬态模型计算效率极低的难题。为航空减阻微槽的激光加工工艺参数优化提供了高保真、高效率的数值模拟手段，对缩短工艺开发周期、减少试验材料损耗、实现微槽阵列的高质量控形制造具有重要的工程应用价值。