CC BY
69
УДК 51-73:004.942
П. А. Ковалев, Е. М. Веселова
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЕРАМИКИ AL2Oз-TiC ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В работе проведено исследование температурных изменений внутри и на поверхности образца оксикарбидной керамики на основе композиции Л1203-ТЮ под воздействием лазерного излучения. Визуализация результатов моделирования изменения температурного поля выполнена в среде С01У^01_ Ми1йрйуз^.
Широкое изучение керамических материалов в экстремальных условиях эксплуатации, к которым можно отнести воздействие лазерного излучения на материал, объясняется их способностью сохранять физические свойства в области высоких температур. При воздействии лазерного излучения на композиционный материал происходит его нагрев. С применением инструментальных возможностей пакета COMsOL МиМрЬуясз проведено компьютерное моделирование изменения температурного поля вращающегося цилиндрического образца керамики Л1203-ТЮ вследствие воздействия движущегося лазерного пучка. В работе подробно описаны этапы компьютерного моделирования в «Построителе моделей» среды COMSOL МиМрЬузгсз: определение размерности модели; выбор типа исследования; создание геометрии; выбор материалов и задание их свойств; задание глобальных и локальных переменных; генерация сетки; проведение исследования; отображение и анализ результатов.
Ключевые слова: моделирование, лазерное излучение, керамика, температурное поле.
Введение
В настоящее время все чаще в качестве конструкционных используются керамические материалы. Это связано со способностью керамики сохранять свои физические свойства в экстремальных условиях эксплуатации, к таковым можно отнести и лазерное обучение. При воздействии лазерного излучения на композиционный материал происходит его нагрев. В работе исследовано изменение температуры керамики А12О3-Т1С вследствие лазерного облучения.
Постановка задачи: рассматривается воздействие движущегося источника лазерного излучения на вращающийся образец оксикарбидной керамики на основе композиции А12О3-Т1С.
В работе проведено компьютерное моделирование изменения тем-
Ковалев Павел Александрович — магистрант (Амурский государственный университет, Благовещенск); e-mail: pavelkov007@gmail.com.
Веселова Елена Михайловна — кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры математического анализа и моделирования (Амурский государственный университет, Благовещенск); e-mail: veselovablg@gmail.com.
© Ковалев П. А., Веселова Е. М., 2017
71
пературного поля образца с применением инструментальных возможностей пакета COMSOL Multiphysics [1, 2].
COMSOL Multiphysics — это основанная на передовых численных методах универсальная программная платформа для моделирования и компьютерного моделирования физических задач.
Описание этапов компьютерного моделирования
Компьютерное моделирование в среде COMSOL Multiphysics выполнялось по нижеприведенной схеме.
1. Выбор размерности модели.
В работе была построена трёхмерная модель исследуемого процесса.
2. Выбор физики и типа исследования.
Рассматривался процесс, зависящий от времени — Time Dependent. Для исследования изменения температуры использовался модуль теплопроводности в твёрдых телах — Heat Transfer in Solids (ht).
3. Создание геометрии.
Исследуемый образец геометрически представляет собой цилиндрическую пластину заданного радиуса и толщины.
4. Добавление материалов.
Исследовался образец из оксикарбидной керамики на основе композиции AhO3-TiC (рис. 1).
Settings Properties » Material Graphics ■A o. я - Eg -u • la IB is а ■ - в ■:■ ■ is в и к Si >» авто @ e a n§ Add Material + Add to Component -4 Add to Selection
Search
Geometric Entity Selection Qi Nicilon (Ь-С-0-Nl/Si * ffl Carton UbvßK И SiC/S>C liquid infiltrsti ISrC/SiCCVl ■ SiC/CeHUrt 01 25%SCvHwkers/Aa< Л 30% SC-9 S«C whisker-— 9130%Tws-iaosiC^tii = HI 30% ВД1 S< whiskers/ * ffl Sapphire fib«t/Af203 ¡1 Al203-03TiC :il A1203-03TIC lull * И AI203-0.7TiC
Gramdric entity level; Domain »
All domains i % + Щ - ft к 1X1 V^C^*10^ jr 002 0 "-. ___—''O -0.02 -0.02
Override
Material Properties ' Material Contents у ■Г ffl Ai?03-TK A1203-T.C [¡olid] 1 HfW-20$.C (Л нт;-тг
N«m« Value Unit Property group iho ^10» _|kg/m' Basic
uctivrty k kfill/KI)... W/(m-K) Baste « corwt»nt pr«.. Cp СП11/К] . J/(kg.lO 8«K Messages Progress Log
TO Т(ХТ(Ш... mVi Basic V
Рис. 1. Геометрия исследуемого образца оксикарбидной керамики на основе композиции AhOз-TiC
5. Задание глобальных переменных.
Глобальные параметры условно можно разделить на две группы: одни описывают исследуемый образец AhOз-TiC, другие — воздействующий лазерный пучок.
Параметры радиус и толщина пластины описывают геометрию исследуемого керамического образца. Пластина, облучаемая лазерным пучком,
72
вращается, что задаётся параметрами скорость вращения и угловая скорость. Также задана излучательная способность поверхности пластины.
Остальные параметры описывают воздействующий на образец лазерный пучок, а именно заданы мощность лазера, радиус пучка лазера, время для перемещения лазера вперёд и обратно (рис. 2).
Settings Properties
Parameters »■ Parameters
" Name Expression Value Description
r_wafer Kin] 0.0254 m Радиус пластины
thick 275[um] 2.7500E-4 m Толщина пластины
rot_speed 6Q[rpm] 1 Hz Скорость вращения
ang_vel 2 * pi * rot_speed 6.2832 Hz Угловая скорость
period 10[s] 10 s Время для перемещения лазера вперед и обратно
r.spot 2.5[mm] 0.0025 m Радиус пучка лазера
emissivity 0.8 0.8 Излучательная способность поверхности пластины
laser_pow 10[W] 10 W Мощность лазера
Рис. 2. Глобальные параметры модели
6. Задание локальных функций.
Для моделирования лазерного пучка задаём локальные функции.
1). Функция гауссова импульса, которая позволит описать профиль нагрева лазера.
Встроенная функция гауссова импульса Comsol Multiphysics, предполагает наличие двух параметров location (начальное положение по оси x) и standard deviation (стандартное отклонение).
Параметр location задаём равным нулю, а параметр standard deviation равным трети радиуса пучка лазера, т.е. r_spot / 3.
Таким образом, радиус пучка лазера будет равен трём стандартным отклонениям построенного нами гауссова импульса (рис. 3).
2). Далее задаём функцию Waveform (осциллограмма) треугольной формы.
Координационный центр пучка лазера будет перемещаться по траектории, заданной данной функцией, что позволит нам отслеживать его положение вдоль оси x во времени.
Задаём следующие параметры функции, показанные на рисунке 4: угловая частота, фаза, амплитуда.
3). Задаём функцию, определяющую тепловую нагрузку лазера на каждую точку поверхности пластины.
73
Рис. 3. Функция гауссова импульса
Функция определяется как количество мощности лазера, приходящиеся на квадратный метр поверхности (рис. 5).
7. Задание физики областей и граничных условий.
В разделе Translational Motion модуля Heat Transfer in Solids, укажем вектор скорости поступательного движения пластины в области уравнения теплопереноса (рис. 6).
74
Рис. 5. Аналитическая функция тепловой нагрузки лазера
▼ Equation
Show equation assuming;
Study 1, Time Dependent
pcg- + pCru ■ VT = V ■ (fcVr) + Q
U = Utrans
» Coordinate System Selection
Coordinate system:
Global coordinate system
» Translational Motion
Velocity field:
-y* ang_vel X
Utrans X* ang_vel V т/5
0 z
Рис. 6. Задание параметров поступательного движения пластины
Как видно из рисунка 7 тепловой поток задаётся как произведение функции тепловой нагрузки лазера на излучательную способность пластины, в данном случае предполагается, что излучательная способность пластины равна поглощающей.
75
Рис. 7. Задание излучательной способности пластины (слева) и задание теплового потока (справа)
8. Генерация сетки.
В среде COMSOL Multiphysics вычисление выполняется методом конечных элементов. Для начала исследования необходимо задать сетку разбиения образца. В модели была выбрана сетка triangular — трехгранная, размер сетки — fine (рис. 8).
Рис. 8. Генерация сетки
76
9. Исследование. Отображение и анализ результатов. Далее представлены результаты исследования, которое проводилось во временном интервале от 0 до 60 секунд с шагом 0,1 (рис. 9).
Рис. 9. График пиковых и средней температур (слева), график разности пиковых температур пластины (справа)
Time=60 s Surface: Temperature (к)
Рис. 10. График изменения температуры во всей пластине
Заключение
В результате компьютерного моделирования в среде COMSOL Multiphysics была построена трёхмерная модель изменения температуры вращающегося образца оксикарбидной керамики Al2O3-TiC, вследствие воздействия на него движущегося источника лазерного излучения.
77
Список литературы
1. Введение в COMSOL Multiphysics. URL: https://www.comsol.ru/shared/ downIoads/IntroductionToCOMSOLMultiphysics_5.2_ru.pdf (дата обращения 15.03.2017)
2. Красников Г.Е., Нагорнов О.В., Старостин Н.В. Моделирование физических процессов с использованием пакета COMSOL Multiphysics: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 184 с.
•Jc -Jc -Jc
Kovalev Pavel A., Veselova Elena M.
COMPUTER SIMULATION OF CHANGES IN TEMPERATURE CERAMIC AL2O3-TiC UNDER THE INFLUENCE OF LASER RADIATION
(Amur State University, Blagoveshchensk)
In this paper, we study temperature changes inside and on the surface of the sample oxycarbide ceramics based on the composition of Al2O3-TiC under the influence of laser radiation. Visualization of the simulation results of temperature field changes implemented in Comsol Multiphysics.
Extensive study of ceramic materials in extreme conditions, which include the effects of laser radiation on the material, due to their ability to maintain physical properties at high temperatures. Under the action of laser radiation on the composite material it is heated. With the use of the instrumental possibilities of the package COMSOL Multiphysics was conducted a computer simulation of the temperature field changes of a rotating cylindrical sample of ceramic Al2O3-TiC due to the impact of a moving laser beam. The article describes in detail the stages of computer simulation in the "Modeler" environment COMSOL Multiphysics: determination of the dimensions of the model; choice of studies; geometry creation; the choice of materials and setting their properties; setting global and local variables; the generation of a grid; conducting research; mapping and analysis of the results.
Keywords: modeling, laser radiation, ceramic, temperature field
References
1. Vvedenie v COMSOL Multiphysics (Introduction to COMSOL Multiphysics), Available at: https://www.comsol.ru/shared/downloads/IntroductionToCOMSOL Multiphysics_5.2_ru.pdf
2. Krasnikov G.E., Nagornov O.V., Starostin N.V. Modelirovanie fizicheskikh protsessov s ispolzovaniem paketa COMSOL Multiphysics (Modelling of physical processes using COMSOL Multiphysics package): Textbook, M., MEPhI, 2012. 184 p.
•Jc -Jc -Jc
78
