專利名稱：一種氣缸蓋激光熱負荷試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種以激光為熱源的氣缸蓋熱負荷試驗方法。
背景技術：
目前對氣缸蓋熱負荷試驗的研究主要是熱模擬系統的零部件試驗，具有經濟性好、周期性短、針對性強等優點。目前國內外熱模擬系統主要有紅外線加熱系統、燃氣加熱系統、高頻感應加熱系統、石英燈加熱系統以及激光加熱系統等。而紅外線加熱系統、燃氣加熱系統、高頻感應加熱系統等，都不能有效的模擬氣缸蓋火力面溫度分布。而激光具有功率密度高、時空分布可控性好的特點，已經在熱負荷試驗中具有較明顯優勢。國內外也利用激光開展了其它材料的熱疲勞研究，如德國Ruhr大學的Schaus教授和Pohl教授兩人共同開發了一套熱疲勞模擬系統用以對火車軌道材料進行研究。日本的KUTSUNA等幾位學者也設計了一臺采用Nd-YAG激光器加熱的熱模擬試驗系統，用以研究渦輪機材料的熱疲勞狀況。98年前后，NASA的Zhu Dongming等人對熱障陶瓷涂層(TBCs)在激光加載條件下的熱疲勞破壞行為開展了廣泛的研究，之后他們還建立了一套用于研究高性能發動機材料的熱疲勞過程的實驗系統，該系統采用脈沖式CO2激光器對試樣進行加載。我國湘潭大學的龍士國和周益春采用實驗及數值模擬的方法，對激光引發的顆粒增強金屬基復合材料的熱疲勞行為進行了深入分析。以上這些激光加載熱疲勞模擬試驗系統的研究對象主要以塊狀試件為主，并沒有涉及整個零件結構。目前以本實驗室為主要研究機構，采用高功率密度的激光束作為熱源，借助機器人系統和反求方法設計的激光光束整形器，對活塞激光熱負荷試驗進行了研究，但是只能模擬活塞頂面特定三個圓環區域的溫度分布，不能實現模擬活塞頂面實際工況下的整體溫度分布情況。
因此，現有技術的不足就需要提供一種以激光作為熱源的氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，能夠模擬實際工況下氣缸蓋火力面的整體溫度分布情況。
發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的不能模擬實際工況下零部件頂面整體溫度分布的缺點，提供一種以激光作為熱源的氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，能夠模擬實際工況下氣缸蓋火力面的整體溫度分布情況。本發明的一種氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，具體步驟如下I)根據實際工況下實測的氣缸蓋火力面溫度分布，通過建立三維有限元分析模型，進行不同光強分布光束加載下的火力面溫度分布計算，最終確定所需加載光束的特定光強分布，使數值模擬溫度場與實況實測溫度場一致；2)利用光束整形器將原始入射激光束整形為步驟I)所得的加載光束，計算整形元件位相，并制作光束整形器；3)將制作完成的光束整形器放入激光頭中，采用光束分析檢測裝置測試整形后光束光強分布；4)光束整形器用于實際氣缸蓋激光熱負荷試驗中，通過時間和溫度控制模式，結合自然冷卻及風冷方式，進行高低周熱負荷試驗。進一步，所述步驟I)具體包括如下步驟i)當氣缸蓋工作在實際工況時，通過熱電偶對氣缸蓋火力面進行多點溫度值測量，測量點主要分布在鼻梁區區域，以此多點溫度值來反映氣缸蓋火力面的溫度分布；ii)根據氣缸蓋結構設計模型，建立三維有限元分析模型，進行網格劃分，對氣缸蓋火力面細化以提高計算精度；溫度場計算是基于傅立葉熱傳導定律，表達式為
權利要求
1.一種氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，包括步驟如下 1)根據實際工況下實測的氣缸蓋火力面溫度分布，通過建立三維有限元分析模型，進行不同光強分布光束加載下的火力面溫度分布計算，最終確定所需加載光束的特定光強分布，使數值模擬溫度場與實況實測溫度場一致； 2)利用光束整形器將原始入射激光束整形為步驟I)所得的加載光束，計算整形元件位相，并制作光束整形器； 3)將制作完成的光束整形器放入激光頭中，采用光束分析檢測裝置測試整形后光束光強分布； 4)光束整形器用于實際氣缸蓋激光熱負荷試驗中，通過時間和溫度控制模式，結合自然冷卻及風冷方式，進行高低周熱負荷試驗。
2.根據權利要求I所述的氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，其特征在于，所述步驟I)具體包括如下步驟 所述步驟I)具體包括如下步驟 i)當氣缸蓋工作在實際工況時，通過熱電偶對氣缸蓋火力面進行多點溫度值測量，測量點主要分布在鼻梁區區域，以此多點溫度值來反映氣缸蓋火力面的溫度分布； ii)根據氣缸蓋結構設計模型，建立三維有限元分析模型，進行網格劃分，對氣缸蓋火力面細化以提高計算精度；溫度場計算是基于傅立葉熱傳導定律，表達式為
3.根據權利要求2所述氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，其特征在于，還包括如下步驟 iii)為了更準確的模擬氣缸蓋在激光作用下的溫度場，在給定氣缸蓋材料參數的基礎上，通過測溫實驗對氣缸蓋模型相關參數進行校正；即在氣缸蓋火力面不同位置處加載激光，記錄溫度和時間的關系，通過對相應實驗參數進行溫度場模擬計算，確定一組使實測溫度結果與計算結果相吻合的氣缸蓋模型參數值； iv)利用校正后氣缸蓋模型參數和實際工況下實測火力面溫度分布，進行不同光強分布激光束加載火力面的溫度場分布計算，最終確定一種光強分布的加載光束，使得數值模擬溫度場與實況實測溫度場一致。
4.根據權利要求I所述氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，其特征在于，所述步驟2)具體包括 i)采用G-S算法計算光束整形器的位相； ii)將光束整形器的相位量化為多組數據，每組數據對應制作一塊模板，畫出模板加工需要的相位圖，并在每個模板上畫上對準標記，以確保模板在后續的套刻時對準，然后根據加工相位圖，利用電子束直寫的方法來制作模板； iii)利用制作完成的模板，采用減法工藝來完成刻蝕；其中，光刻階段包括表面清潔處理、甩膠、前烘、曝光、顯影五部分，其中清潔處理后進行烘干基片處理，以易于上膠；光刻結束后，將表面帶有光刻膠圖形的基片放到離子束刻蝕裝置中，利用反應氣體對石英基片進行刻蝕。
5.根據權利要求I所述氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，其特征在于，所述步驟3)具體包括將制作完成的光束整形器放入激光頭中，采用原始激光束入射，使整形后光束投射到一個接收屏上，接收屏后利用CCD進行接收，并在分析軟件上對成像進行光強分布檢測； 其中，接收屏采用紙、毛玻璃或者四氟乙烯等材料制作。
6.根據權利要求I所述氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，其特征在于，所述步驟4)具體包括 i)在氣缸蓋激光熱負荷試驗中，將光束整形器放入激光頭中，調節整形器的方位和激光頭與氣缸蓋火力面的距離，使照射到火力面的光斑尺寸和分布滿足預先設定的條件； ii)設定激光功率進行加載，通過紅外測溫儀對氣缸蓋火力面上多測點位置進行溫度實時觀測，當火力面的溫度分布與實況實測溫度分布一致時，進行激光熱負荷試驗； iii)采用時間和溫度控制模式進行高低周熱負荷試驗；時間控制模式是通過設定溫度循環的時間來實現，即設定每個加載周期的加載持續時間和卸載持續時間；而溫度控制模式是通過設定某一監控點溫度波動的上限溫度Tmax和下限溫度Tmin來實現的；在一個溫度循環中，激光保持高功率進行加載直到溫度達到Tmax，然后停止激光加載或降低激光加載功率直到溫度低于Tmin,如此反復檢測測點處的溫度即可控制在Tmin Tmax間波動，溫度波動穩定控制為AT = Tmax-Tmint全文摘要
本發明公開了一種氣缸蓋激光熱負荷試驗方法，此方法采用光束整形器將原始激光束整形為具有特定光強分布的非均勻光束，將此非均勻光束加載到氣缸蓋火力面上，能夠模擬實際工況下氣缸蓋火力面的整體溫度分布情況，借助冷卻裝置及測溫系統可開展激光熱負荷試驗。此方法和規范具有成本低、效率高、模擬可靠性高的特點。
文檔編號G01M13/00GK102798518SQ20111013914
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者虞鋼, 聶樹真, 鄭彩云, 寧偉健, 何秀麗 申請人:中國科學院力學研究所
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