纳秒激光脉冲宽度对2024铝合金损伤特性的影响

飞机激光除漆对2024铝合金蒙皮可能造成潜在的损伤,需探究激光参数变化对基体材料表面的作用规律,其中脉冲宽度对激光-材料作用与材料损伤特性具有重要影响。本文采用COMSOL Multiphysics软件模拟分析了不同脉冲宽度时激光作用铝合金表面的温升特性,并借鉴ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究了脉冲宽度对铝合金损伤阈值的影响,进一步分析了不同脉冲宽度下的烧蚀凹坑微观形貌、直径与深度变化规律。结果表明:铝合金表面峰值温度随脉冲宽度增加而降低;脉冲宽度从150 ns增加到240和330 ns时,铝合金损伤阈值从9.96 J/cm^(2)分别增加到11.24和12.66 J/cm^(2),当激光能量密度达到损伤阈值时,3μm厚氧化膜被完全损伤,破坏了铝合金表面完整性;烧蚀凹坑直径和深度随脉冲宽度增加而增加,深度受影响程度更大。该研究可为激光与材料作用的脉冲宽度选择提供一定的参考。

基于PLS的飞机CFRP激光除漆LIBS监测判据研究

激光分层除漆的可靠性与可控性依赖于有效的在线监测技术,采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术能有效监控激光除漆过程。本文采用激光去除飞机碳纤维复合材料(CFRP)表面漆层,并基于高重频激光除漆LIBS在线监测平台,在线采集除漆过程所激发的面漆和底漆2类光谱共60组。分别建立了基于主成分分析(PCA)和偏最小二乘法(PLS)的判别和预测模型,研究了激光分层除漆过程中LIBS光谱的分类判别。PCA模型前两个主成分累计贡献率达到了79.2%,PLS-DA模型前两个主成分累计贡献率达到了85.5%。PLS回归模型校正标准差(RMSEE)为0.142923,均方根误差(RMSEcv)为0.152053,模型的预测标准差(RMSEP)为0.142421,对20组激光清洗面漆和底漆的混合数据集进行预测,预测准确率达100%。结果表明PLS判别模型比PCA模型分类判别效果更好,PLS预测模型实时评估和自动分类漆层具有较好的预测精度。本研究可为LIBS在线监测激光除漆过程,实现自动化、智能化的激光除漆提供技术支持。

基于PCA-SVM的飞机蒙皮激光分层除漆LIBS在线监测研究

飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测,是实现分层可控除漆、满足适航维修要求的重要手段,也是推进激光除漆工程应用、飞机维修自动化的核心技术。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化,实现激光清洗表面状态的在线监测。基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,分别采集了不同激光功率下,面漆、底漆、铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱(各100幅)。分析了不同激光功率下,各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况,初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。进一步对这12个特征进行主成分分析(PCA),并将前3个主成分(PC1、 PC2、 PC3)构成的数据集作为支持向量机(SVM)识别模型的输入量,建立了3类光谱的识别模型。形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则,并对该规则的有效性进行了实验验证。结果表明,与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比,基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景(大于5 000 a.u.)以及1.5 nm左右的半峰全宽;针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波算法,在去除背景光谱的同时有效避免了特征谱线强度失真;示踪元素的特征谱线存在不稳定性;主成分分析中前3个主成分PC1、 PC2、 PC3对光谱的解释率达95%,在其构成的三维空间中,同类光谱呈区域性聚集;PCA-SVM模型对训练集、测试集的识别准确率分别为99.44%、 100%;验证实验结果表明3类光谱的识别模型与在线监测判定规则有效。所建立的识别模型与判定规则,可为飞机蒙皮激光分层除漆过程监测及自动化解决方案提供核心技术支撑。

激光单脉冲作用下的漆层凹坑形貌模拟研究

研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应,有助于揭示激光与材料的作用机制,同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系式,并基于烧蚀机制建立了高斯激光单脉冲作用后模拟漆层凹坑形貌的数学模型,采用MATLAB对13.58~27.16 J/cm^(2)能量密度下的凹坑形貌进行了模拟与验证。结果表明:低能量密度(13.58~16.98 J/cm^(2))下,凹坑深度和直径误差均小于5%,凹坑表面近似为旋转抛物面,凹坑剖面轮廓近似为抛物线;高能量密度(20.37~27.16 J/cm^(2))下,凹坑深度误差小于5%,但凹坑直径误差高达40%,模拟结果与实验结果存在显著差异。误差分析表明,在高能量密度下,等离子冲击与热辐射机制对凹坑形貌具有显著影响。基于上述分析对模型进行修正,修正模型对凹坑深度和直径的模拟误差均控制在5%以内,显著提高了模型模拟的准确性。基于凹坑形貌实验数据建立的形貌模型以及该模型的验证,不仅揭示了不同能量密度下激光与材料主要作用机制的差异,还为高、低能量密度下除漆效果的精确控制及激光参数优化提供了参考。

基于响应面分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究

随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出,多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法,建立了激光参数(光斑搭接率、激光功率及扫描次数)与可控性指标(漆层去除厚度、表面粗糙度)间的数学模型,分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明:激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率,且均为正相关;表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小,随激光功率的增大而增大,扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明:响应面模型可为厚度精度为±5μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型,可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。

单脉冲激光褪漆形貌的多物理场仿真与验证

为精准还原单脉冲激光褪漆过程,建立了单点褪漆有限元计算模型,分析了激光褪漆的温度场和热应力场变化规律,通过生死单元技术实现了漆层形貌仿真还原,并完成了不同功率的激光试验对比验证。结果表明:单脉冲激光褪漆过程中,温度判据决定最大烧蚀形貌深度,热应力判据决定最大烧蚀形貌宽度。所提多物理场分析模型获得的褪漆形貌与试验的平均贴合度达到93.3%,较传统单温度场的仿真形貌精度提高6.5%,该研究对实际激光褪漆工艺具有较好的指导与应用价值。

基于LIBS数据流盘的飞机蒙皮激光除漆在线监测判据研究

等离子体产生及演化过程易受基体效应、环境噪声、脉冲能量抖动等影响,导致光谱数据具有不稳定性,从而难以保证以单条谱线为依据建立的监测判据的有效性。以连续多幅LIBS光谱为对象,并结合统计学方法建立的监测判据,可有效提升基于LIBS技术的除漆效果监测精度。论文基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,实时采集了除漆过程的连续多幅LIBS光谱。光谱数据经基线矫正、归一化预处理后,依据面漆、底漆、铝合金基体光谱特征峰差异,并结合材料成分信息,选定BaⅠ(712.55 nm)、CrⅠ(357.48 nm)、CrⅠ(425.43 nm)、TiⅠ(427.45 nm)、CuⅡ(309.76 nm)、CuⅠ(484.22 nm)6条谱线作为特征谱线并监测除漆效果。研究不同除漆效果中6条特征谱线强度变化规律,建立不同除漆效果与所选特征谱线强度变化区间的映射关系。提取每幅谱线的上述6条特征谱线强度作为一组数据单元、将连续10幅谱线的数据单元作为一组数据集,除漆过程中随时间变化的每10组迭代数据集称为数据流盘。对数据流盘中的数据单元、数据集进行分析,结合置信区间,实时判定除漆区域除漆效果,获得基于数据流盘的监测判据。结果表明:该判据可有效监测仍在面漆、面漆完全去除、仍在底漆、底漆完全去除、基体损伤5类除漆效果。依据SRM手册对漆层去除效果的要求,选择面漆完全去除、基体损伤两类除漆效果展示了验证过程,三维微观形貌分析结果与LIBS数据流盘监测判据所得除漆效果结论一致。其中,面漆去除后三维微观形貌分析表明,面漆完全去除精度达1.2μm,有效验证了基于LIBS数据流盘监测判据的适用性及稳定性。

分层教学法在小学数学教学中的应用分析

本文针对分层教学法在小学数学教学当中的应用进行探讨,通过分析分层教学法的定义、应用意义,进一步探索出在小学数学教学中应用分层教学法的策略,以期为相关人员带来一些参考。