CC BY
23
МА ТЕМА ТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН, КОМПЛЕКСОВ И КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
УДК 004.312
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ МИШЕНИ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ
Т.А. Акименко
Рассматриваются вопросы моделирования нагрева поверхности мишени. Приведен интерфейс программы и результаты вычислений. Представленные данные компьютерного моделирования позволяют определить предельно допустимые режимы нагрева мишени.
Ключевые слова: интерфейс, алгоритм, численное моделирование, передача
данных.
Для проведения моделирования процессов математическая модель должна иметь реализацию, обладающую доступным интерфейсом. При проектировании оболочки модели необходимо учитывать множество влияющих факторов. Это выдвигает требование к доступности изменения значений факторов алгоритма расчета на разных уровнях анализа данных.
Выполнение этого условия возможно при реализации системы в интерактивной среде математических вычислений. Это позволяет прослеживать динамику изменений факторов на любом этапе моделирования.
Алгоритм моделирования нагрева поверхности лазером представлен в виде препроцессора и постпроцессора, предназначенных для подготовки исходных данных и представления результатов моделирования в удобной для человека форме. (рис. 1)
Для расчета создается файл геометрии поверхности с заданными граничные условия на поверхности S воздействия луча, на поверхности Sa теплообмена с внешней газовой средой, начальные условия.
Задаются теплофизические параметры материала: плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности.
Решается система уравнений [Л]{Т}=^}, где [Л] - глобальная матрица теплопроводности; {Т} - векторная матрица температуры; -векторная матрица мощности лазерного нагрева.
Определяется температура элементов. Результаты могут быть представлены в виде графиков, эпюр, изолиний или в фоновом режиме.
Численное моделирование рассматриваемого процесса осуществляется с помощью теоретико-вычислительного комплекса компьютерного моделирования и визуализации процессов теплопереноса.
Процесс формирования дискретной модели геометрии производит автоматизированное вычисление координат узлов элементов; формирует базу конечных элементов (КЭ), выполняет нумерацию КЭ и их узлов в базе; представляет геометрию модели на мониторе компьютера; определяет связь узлов в общей композиции КЭ с нумерацией, принятой внутри каждого КЭ; формирует граничные условия различных типов, определяя границы исследуемой области; сохраняет нумерацию КЭ, матрицу связи узлов, номера точек границ, номера слоев.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма численного моделирования процесса нестационарной теплопроводности
Язык программирования - стандартный алгоритмический язык высокого уровня С++.
Методика.
Работа начинается с построения дискретной модели исследуемой области. Исходными данными для этого является ее чертеж или эскиз. Поверхность или контур данной области вводится с помощью стандартных периферийных устройств компьютера (мыши, клавиатуры), аналогично тому, как это осуществляется в стандартных программах САПР.
586
Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, ...
Следующим шагом является дискретизация на конечные элементы. Выбирается форма, например, параллелепипеда, полого цилиндра, цилиндрической или конической оболочки, прямоугольной области и т.д.
Необходимым этапом построения геометрической модели является задание границ, на которых будут формироваться граничные условия, а для процессов теплопроводности - ввод типов материалов элементов конструкции и толщин мишени. Определяются, при необходимости, точки, в которых должны быть построены графики изменения параметров во времени, а также сечения трехмерных областей для визуализации полей исследуемых величин. Введенная геометрия может быть сохранена для последующего использования. Возможны различные операции редактирования построенной геометрической модели: удаление и добавление элементов, перемещение узлов, оптимизация формы и нумерации узлов и т.д. После определения геометрической модели осуществляется ввод теплофизи-ческих и механических свойств сред:
- задание параметров газа в области в начальный момент и таблиц параметров втекающих потоков на границах во времени (типы и концентрации компонентов потока, температура, давление, скорости и т.д.);
- задание таблиц зависимости термомеханических характеристик материалов слоев от температуры (коэффициент теплопроводности, термического расширения, удельная теплоемкость, плотность, модуль упругости, предел упругости и др.);
- задание таблиц зависимости параметров теплообмена от времени (лучистые потоки тепла, скорости нагрева и т.д.);
- задание шага вывода результатов, определением значений изолиний и цветовой гаммы представления полей параметров, способом сохранения результатов и ряда других.
Созданные файлы данных и геометрии передаются в основную программу и начинается процесс моделирования исследуемых процессов. С помощью выбора соответствующих опций программы можно следить за процессом расчета в виде теневой маски, изолиний, векторной картины или же в виде графиков для выбранных ранее точек пространства. Кроме этого, указанием курсора мыши можно получить текущее значение величины визуализируемого параметра в любой точке области, возможно увеличить изображение любой части области с целью детализации изображения. При необходимости можно установить паузу в расчете или прекратить вычисления, сохранив контрольную точку для последующего продолжения расчета с этой точки.
Результаты расчетов
Для нагревания поверхности мишени до заданной температуры используем лазер СО2, работающий в импульсно-периодическом режиме и инфракрасном диапазоне.
Задаются граничные условия. Первая граница - это граница нагрева поверхности лазером. Вторая граница - это граница обдува поверхности.
В качестве параметров лазера вводим: длина волны лазера 10,6 мкм, мощность 100 Вт, энергия в импульсе 5-10"2 Дж.
587
В качестве мишени используется пластина из углеродистой стали (Сталь 20, 40, У8, У12).
Задаем табличные значения свойств материала мишени (рис. 4): коэффициент теплопроводности, плотность, удельная теплоемкость, коэффициент отражения, коэффициент поглощения и др.
Задаем параметры осей графиков.
Задаем параметры диапазонов палитры.
Создание графика работы импульсного СО2 -лазера.
Создание сетки дискретизации мишени (рис. 2). На сетке дискретизации обозначается красным цветом граница нагрева лазером, а зеленым цветом - граница обдува.
о И И- ййаГЯ1_ШвРИ«1 на ШМШГЦ Ч «. Ч й? «
ви-адт ^»'»"•»««-»-»»«'А -ь О! щ
Пяе^мМЬь*
|ЁЁЁЁЁЁЁЁ|ЁЁЁЁ|ЁЁ::ЁЁЁЁ ЁНЕЕЕЕЕЕЕ: 1ЕЕЕЕ1:::::::ЕЗ Г ПТТТ-----И —
ИИ Ш и В '
|=#..... у 1
В
(шиш (111Ё(|11М1 ¡777? 'тТТТТГ
1мм:: : -- : : : : : .7- -1 | 0ШП14»
Рис. 2. Сетка дискретизации
После задания данных происходит запуск расчета. Результаты расчета можно представить в виде графиков, изолиний, тепловой картины.
Результат расчета в виде тепловой картины показан на рис. 3. В зависимости от времени нагрева тепловая картина будет изменяться, точка нагрева будет постепенно увеличиваться и расплываться.
Рис. 3. Тепловая картина прогрева
588
Математическое и программное обеспечение вычислительных машин,
При моделировании процесса были взяты 4 точки на поверхности мишени: 1 - в центре пятна нагрева; 2 - на границе пятна нагрева; 3 - на поверхности мишени от центра пятна нагрева 2г; 4 - на поверхности мишени от центра пятна нагрева 3 г. Результаты расчетов представлены в виде графиков зависимости температуры нагрева поверхности мишени от времени воздействия импульсов лазерного излучения (рис.4).
Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования нагрева поверхности мишени лазером: а - длительность импульса равна длительности паузы 11=12; б - длительность импульса в два раза больше времени паузы 11=212; в - длительность импульса в два раза меньше времени паузы 11=0,512; г - длительность импульса в случайном порядке
Проанализировав полученные результаты, можно определить предельно допустимые режимы нагрева мишени.
Анализ результатов компьютерного моделирования показывает, что если время нагрева и время паузы совпадают, то время воздействия лазера на поверхность можно увеличить до 1,2 - 1,5 раза. Уменьшение длительности импульса относительно паузы в два раза позволило увеличить время воздействия лазерного излучения на поверхность в 1,5 - 1,8 раза. Если выбрать случайный порядок воздействия лазера на мишень, то можно увеличить время нагрева поверхности до 2 - 2,5 раз.
589
Данная статья выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проекта 2.3121/Г3 "Параллельные полумарковские процессы в системах управления мобильным роботом".
Список литературы
1. Акименко Т. А. Нагрев поверхности мишени подвижным лазерным лучом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 2. С. 17-24.
2. Филиппова Е.В., Акименко Т.А. Приемники излучения теплови-зионных приборов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 2. С. 203-207.
3. Akimenko T., Dunaev V., Gorbunova O. Simulation of surface heating process with laser // NAA'16 (Sixth Conference on Numerical Analysis and applications) Bulgaria, Lozenetz. June 16-21. P. 150 - 157.
4. Akimenko T. Dunaev V., Larkin E. Computer simulation of the surface heating process by the movable laser // Proceedings of 5th International Workshop on Mathematical Models and their Applications Krasnoyarsk, Russia, November 7-9, 2016. P. 11 - 17.
5. Акименко Т.А., Филиппова Е.В. Формирование изображения на приемнике теплового излучения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 13-21.
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tgntan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPUTER SIMULATION OF THE PROCESS OF HEATING THE SURFACE OF A TARGET WITH A LASER BEAM
T.A. Akimenko
The problems of modeling the heating of the target surface are considered. The program interface and the results of calculations are given. The presented data of computer simulation allows to determine the maximum permissible modes of heating the target.
Key words: interface, algorithm, numerical simulation, data transfer.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tantan 72@ mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
