頓磊：激光除銹中的“隱形”規(guī)律

當(dāng)激光束精準(zhǔn)作用于材料表面，瞬間完成污染物或氧化層的去除 —— 這一看似簡潔的激光除銹過程，背后隱藏著復(fù)雜的溫度場與應(yīng)力場變化。這些微觀物理場的分布直接決定了除銹效果的優(yōu)劣，卻因激光光斑小、溫度高、冷卻速度快等特點(diǎn)，難以通過實(shí)驗(yàn)直接測量。如今，數(shù)值模擬技術(shù)正成為破解這一難題的關(guān)鍵，為激光除銹技術(shù)的優(yōu)化提供了可靠的科學(xué)支撐。

一、數(shù)值模擬的核心：有限元方法的 “化繁為簡”

數(shù)值模擬之所以能勝任激光除銹的復(fù)雜分析，核心依賴于有限元方法的成熟應(yīng)用。這一誕生于 20 世紀(jì) 60 年代的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，通過將復(fù)雜的物理問題轉(zhuǎn)化為可求解的數(shù)學(xué)模型，打破了傳統(tǒng)偏微分方程難以獲得解析解的困境。其核心邏輯是將分析區(qū)域離散為有限個(gè)相互連接的 “模塊”，通過近似函數(shù)描述每個(gè)模塊的物理狀態(tài)，再通過插值法整合得到整體的近似解。隨著插值精度的提升，近似解與真實(shí)解的誤差會(huì)不斷縮小，最終滿足工程分析的需求。

憑借功能全面、操作簡便、計(jì)算可靠等優(yōu)勢，有限元方法已成為工程領(lǐng)域的主流分析工具，而針對(duì)激光除銹的數(shù)值模擬，正是其在熱傳導(dǎo)與應(yīng)力分析領(lǐng)域的典型應(yīng)用。通過這種方法，原本看不見的溫度分布、應(yīng)力變化被量化為直觀的數(shù)據(jù)與圖像，為工藝優(yōu)化提供了精準(zhǔn)依據(jù)。

二、主流仿真工具：ANSYS 與 COMSOL 的 “各顯神通”

在激光除銹的數(shù)值模擬實(shí)踐中，ANSYS APDL 與 COMSOL Multiphysics 是兩款應(yīng)用最廣泛的軟件。它們基于相同的有限元原理，卻在功能側(cè)重與操作邏輯上各有特色，適配不同的仿真需求。

（一）ANSYS：簡潔高效的工程化選擇

ANSYS APDL 軟件以集成化優(yōu)勢著稱，集機(jī)械、力、電、熱分析于一體，支持圖形用戶界面與參數(shù)化設(shè)計(jì)，易于工程師快速上手。其模擬激光除銹的核心流程清晰明確，主要分為四大步驟：

首先是建立有限元模型與設(shè)置材料屬性。模型需貼合實(shí)際除銹樣品的結(jié)構(gòu)，而材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、比熱容、熔點(diǎn)等關(guān)鍵屬性必須精準(zhǔn)定義，通常采用命令流方式賦值 —— 這些參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的可靠性。不過由于高溫下材料物性參數(shù)難以測量，實(shí)際模擬中多采用常溫參數(shù)，并假定其不隨溫度變化。

網(wǎng)格劃分是 ANSYS 仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合理的網(wǎng)格設(shè)計(jì)能同時(shí)提升計(jì)算速度與結(jié)果精度，工程師需根據(jù)模型大小、計(jì)算機(jī)性能和精度要求靈活選擇劃分方式。隨后的邊界條件設(shè)置同樣重要，需定義材料表面與空氣的對(duì)流、輻射等熱交換參數(shù)，才能獲得唯一且準(zhǔn)確的熱傳導(dǎo)解。

激光加載方式的確定直接關(guān)系到仿真與實(shí)驗(yàn)的契合度。目前脈沖激光除銹多采用平面高斯熱源模型，通過命令流在材料表面加載熱通量，再通過循環(huán)實(shí)現(xiàn)脈沖激光的 “加載 - 移除” 過程，最終得到不同時(shí)間下的溫度場分布。通過 ANSYS 仿真，研究者已獲得諸多實(shí)用結(jié)論，例如朱國棟團(tuán)隊(duì)針對(duì)鋁合金激光除銹的模擬，確定了 0.5mm 光斑直徑、50ns 脈沖寬度、8kHz 重復(fù)頻率和 40% 搭接率的最佳工藝參數(shù)。

（二）COMSOL：多場耦合的精準(zhǔn)化利器

如果說 ANSYS 擅長工程化高效仿真，COMSOL Multiphysics 則以多物理場耦合分析的優(yōu)勢脫穎而出。該軟件基于有限元法，可自由設(shè)置物理場耦合形式，無需編寫子程序，能更便捷地處理激光除銹中溫度場與應(yīng)力場的耦合問題。

COMSOL 的仿真流程更注重細(xì)節(jié)精準(zhǔn)度。在模型建立階段，需根據(jù)研究需求選擇平面或三維模型，并添加 “固體力學(xué)” 與 “固體傳熱” 雙物理場接口，前者采用線性離散化，后者采用二次拉格朗日單元，以避免振蕩應(yīng)力的產(chǎn)生。網(wǎng)格劃分上，COMSOL 提供自適應(yīng)、手動(dòng)定義等多種方式，針對(duì)激光照射的核心區(qū)域（材料上表面）采用超細(xì)化網(wǎng)格，底部則用粗化網(wǎng)格，在精度與效率間取得平衡。

激光熱源的建模是 COMSOL 的亮點(diǎn)之一。考慮到激光能量集中的特點(diǎn)，軟件采用高斯體熱源模型，其能量密度沿深度方向按指數(shù)函數(shù)遞減，更貼合實(shí)際激光的傳播規(guī)律。通過嵌入熱通量方程，可直接設(shè)置激光功率、高斯光束半徑、材料吸收系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，簡化操作流程。

在熱傳導(dǎo)分析中，COMSOL 遵循朗伯 - 比爾定律與傅里葉定律，充分考慮激光的反射、吸收與穿透特性，建立三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)控制方程。邊界條件的定義更為細(xì)致，不僅包括材料與空氣的熱交換，還明確了除銹層與基體的溫度連續(xù)性條件，確保仿真的嚴(yán)謹(jǐn)性。求解時(shí)，根據(jù)激光除銹的瞬態(tài)特性選擇瞬態(tài)求解器，通過合理設(shè)置時(shí)間步長，在保證計(jì)算精度的同時(shí)避免求解失敗。

三、數(shù)值模擬的行業(yè)價(jià)值：從理論到實(shí)踐的橋梁

無論是 ANSYS 的高效便捷，還是 COMSOL 的精準(zhǔn)細(xì)致，數(shù)值模擬技術(shù)都為激光除銹行業(yè)帶來了實(shí)實(shí)在在的價(jià)值。它不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)測量的局限性，讓工程師能夠直觀觀察溫度場與應(yīng)力場的動(dòng)態(tài)變化，更能通過參數(shù)迭代快速優(yōu)化工藝方案，減少實(shí)驗(yàn)成本與時(shí)間。

從實(shí)驗(yàn)室的理論研究到工業(yè)界的規(guī)模化應(yīng)用，數(shù)值模擬正成為激光除銹技術(shù)升級(jí)的 “隱形引擎”。隨著仿真算法的不斷優(yōu)化與計(jì)算機(jī)性能的提升，未來其將在多材料適配、復(fù)雜工況模擬等方面發(fā)揮更大作用，推動(dòng)激光除銹技術(shù)向更高效、更精準(zhǔn)、更可靠的方向發(fā)展。對(duì)于激光行業(yè)而言，掌握這一 “可視化” 工具，無疑將在技術(shù)競爭中占據(jù)先機(jī)。