有限元分析在雷射設備製造領域中的應用

有限元分析在雷射設備製造領域中的應用

有限元分析是一種通過數學近似法對現實物理世界進行模擬求解的數值算法，它將求解域劃分成很多互連的子域，並對每一個子域有價訂一個近似簡單的值，然後推導出整個求解域的值，從而得到問題的解。隨著計算機技術快速發展以及長時間的工程應用，有限元分析擴展到幾乎所有的科學技術領域，解決了大量的科學與工程實際問題，提高工業產品的工精確度和可靠性，因此有限元分析成為了一種應用廣泛並且食用高校的數值分析方法。

有限元分析加快產品設計和次代優化效率，提高產品競爭力，可以提供更便捷和低成本的方式評估設計細節。有限元分析的應用類型包括結構分析、流體分析、電磁場分析、溫度場分析、聲場分析和物理場結合分析等，而在雷射設備製造領域方面，有限元分析的應用主要有流體分析、溫度場分析以及兩者結合分析等。

一、流體分析優點及應用
流體分析可以直觀的顯示和說明產品和內部流暢狀態，包括數度分布、溫度分布、流線等且能模擬進行研究液體、氣體以及熱量的流動。通過模擬流體流動，設計者可以判斷流體是否按要求在產品中循環、熱量是否能在產品中已足夠快的流速流動以避免過熱，或是產品是否可以展現預期的流體動力學效果等。當設計者運用有限元進行流體分析時，如果發現流體運動軌跡異常，則可以對設計圖進行修改，已得到最優設計，對於不同的小細節設計，不需要製作樣機進行試驗來驗證設計的合理性，各種設計方案可以在計算機通過流體分析進行驗證，大大縮短開發週期和設計修改費用。

有限元的流體分析在雷射設備製造領域中得到廣泛運用。在雷射器方面，通過流體分析能了解水冷雷射器的流暢狀態(圖2-a)，如水流速度、水流溫度等，設計者可根據此流暢狀態了解水冷板的設計是否符合要求。風冷雷射器(圖2-b)通過流體分析能直觀了解到整體流暢情況，可以分析風扇、散熱片等附近流場狀態，能夠結合溫度場分析了解其散熱能力，為設計者提供更加的設計導向。在雷射頭方面，以j銘鐳激光的迷你款焊接頭氣體迴路設計為例(圖3)，進行流體分析，可以觀察流體運動軌跡，分析氣體迴路能否起到清潔鏡片作用，吹走焊接過程中上的灰塵、飛濺的熔渣等，以減少鏡片得損傷及延長期使用壽命。

二、溫度場分析優點及應用
在產品開發初期，進行溫度場分析能預測產品的溫度分布，可以為設計者提供設計依據和參考，是產品設計的發展趨勢，能夠選擇最優的散熱方案。溫度場分析可以快速準確得到設計分析結果，能模擬出產品工作時的溫度場分布，從而使設計者對產品的散熱能力有更直觀、準確的了解，能及時發現設計中的問題並加以修改，最大限度地提高散熱效率，使其滿足設計的要求，還能提高產品的性能和可靠性，快速地將產品推向市場，減少試驗和測試的次數，降低設計、生產和設計調整費用。隨著計算機性能提升和有限元分析軟體的優化升級仿真計算的精度和效率漸漸提升，與此同時，許多產品向著小型化發展，散熱問題成為產品設計的關鍵問題，而溫度場分析是解決散熱問題必不可少的環節。

在雷射設備製造及運用領域，溫度場分析無處不在。在雷射器方面(如圖4)能模擬似雷射器在最大功效輸出時，溫度場分布及散熱方案，改善雷射器局部溫度分布不均，降低整體溫度，從而提高雷射器的熱穩定性和安全性; 在雷射頭方面，可以模擬出光時鏡片和外殼的溫度場分布，能夠最好的保戶各類鏡片及延長期使用壽命;在雷射器加工工藝方面，能模擬雷射焊接(圖5)、雷射清洗、雷射增材(圖6)等過程某時刻溫度場分布情況，可以得到熔池變化情況以及材料熔化、凝固過程變化，助於研究工藝參數對加工質量和效率的影響，並能通過仿真結果優化工藝參數，為實際生產加工提供指導和幫助。

隨著雷射技術的布段發展，相應雷射設備的設計優化也需逐步提升，故有限元分析發揮的作用越來越重要。在功能完善的有限元分析軟體和高性能的計算機硬件的基礎上，對雷射設備的設計進行準確的有限元分析，能夠獲得盡可能真時的流暢、溫度廠等物理訊息，可以在設計階段發現在問題和修改設計參數，助於選擇產品設計的最優方案，加快產品設計過程，降低設計成本。