一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法及装置与流程

本发明涉及电子束扫描技术领域，更具体涉及一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法及装置。

背景技术：

飞行器以高超声速运动时与大气产生剧烈摩擦，壁面处于高温、高热流密度环境。为了保证材料的耐热性和热防护措施的可靠性，需要发展地面高热流和高温试验技术。当前常见的技术手段包括石英灯阵和高超声速风洞，高超声速风洞中热源无法直接加热材料，能量利用效率较低，且需要大量气源；而石英灯则有温度限制，通过辐射加热材料，无法产生较高的热流密度，且受限于自身体积，无法实现较高的热流密度梯度。

相比于上述手段，电子束具有高能量密度、高分辨率、高响应等优点，常用于焊接、增材制造和蒸发镀膜等，在焊接材料过程中，电子束加热金属材料的热效率基本高于0.7，可以在很大程度上节省能源。电子束的最高能量密度可以达到107w/cm²，远高于对材料进行热考核的热流密度要求。此外通过操控电磁场将电子束斑直径控制在毫米量级并进行高速扫描，可实现高热流密度梯度。

中国专利申请号cn03116992.9，公开了一种电子束扫描加热温度闭环控制方法，属焊接技术领域。方法如下：通过计算机编程进行电子束焊机过程控制、温度信号采集、调节电子束流大小，在计算机程序控制下，使电子束沿设定轨迹和方式对工件进行扫描加热的同时，将由双色红外测温仪实时测得的工件加热区域检测点温度信号通过数据采集卡输入计算机与设定值比较，根据比较的结果增大或减小电子束流以维持工件上检测点温度恒定，从而实现电子束加热温度场闭环控制。该发明实现了电子束扫描加热温度场的闭环控制，测温装置具有响应快、灵敏度高、分辨率高等特点；能实现高速数据采集和处理，操作方便。该发明除可用于以电子束为热源的情况外，也适合于以其它高能束流为热源的温度闭环控制。但是该发明不能实现非均匀的热流分布以及扫描热流精度难以保证。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于现有技术电子束扫描方法不能实现非均匀的热流密度分布以及扫描热流密度精度难以保证。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法，所述方法包括：

步骤一：对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理，得到离散形式的目标热流密度；

步骤二：根据热流密度特征以及扫描区域的几何特征规划扫描路径；

步骤三：在一个扫描周期内建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组，求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间；

步骤四：根据扫描路径以及扫描停留时间计算得到扫描热流密度。

本发明以电子束为热源在材料表面进行扫描，通过控制不同位置的停留时间，实现非均匀的热流密度分布，对原目标热流密度数据进行离散化处理，在一个扫描周期内对各扫描点建立能量平衡方程，求解得到各扫描点的停留时间，通过扫描路径以及扫描停留时间获取的扫描热流密度具有较高的精度。

进一步地，所述步骤一中，使用线性插值或者二次插值或者更高次数的插值方法对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理。

进一步地，所述步骤三包括：当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点在一个扫描周期内的平均热流密度为其中，δti表示束斑中第i个扫描点在材料表面中心点上停留时间，i＝1,2,3…n，n表示扫描点的数量，t0表示一个扫描周期且q″ij表示当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点的热流密度。

更进一步地，所述步骤三还包括：通过公式构建能量守恒方程式，其中，q′j表示材料表面扫描点j的目标热流密度。

更进一步地，所述步骤三还包括：材料表面所有扫描点均应满足能量守恒关系，因此，通过公式建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组。

进一步地，通过迭代求解法或者矩阵求逆法求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间。

本发明还提供一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的装置，所述装置包括：

数据处理模块，用于对原目标热流进行扫描点规则化的离散式处理，得到离散形式的目标热流密度；

路径规划模块，用于根据热流特征以及扫描区域的几何特征规划扫描路径；

扫描停留时间获取模块，用于在一个扫描周期内建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组，求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间；

扫描热流密度获取模块，用于根据扫描路径以及扫描停留时间计算得到扫描热流密度。

进一步地，所述数据处理模块中，使用线性插值或者二次插值或者更高次数的插值方法对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理。

进一步地，所述扫描停留时间获取模块还用于：当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点在一个扫描周期内的平均热流密度为其中，δti表示束斑中第i个扫描点在材料表面中心点上停留时间，i＝1,2,3…n，n表示扫描点的数量，t0表示一个扫描周期且q″ij表示当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点的热流密度。

更进一步地，所述扫描停留时间获取模块还用于：通过公式构建能量守恒方程式，其中，q″j表示材料表面扫描点j的目标热流密度。

更进一步地，所述扫描停留时间获取模块还用于：材料表面所有扫描点均应满足能量守恒关系，因此，通过公式建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组。

进一步地，通过迭代求解法或者矩阵求逆法求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间。

本发明的优点在于：本发明以电子束为热源在材料表面进行扫描，通过控制不同位置的停留时间，实现非均匀的热流密度分布，对原目标热流密度数据进行离散化处理，在一个扫描周期内对各扫描点建立能量平衡方程，求解得到各扫描点的停留时间，通过扫描路径以及扫描停留时间获取的扫描热流密度具有较高的精度。

附图说明

图1是电子束扫描加热原理图；

图2为本发明实施例所提供的一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法的电子束扫描示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法中呈高斯分布的目标热流密度图，其中图(a)为目标热流密度大小分布图，图(b)为目标热流密度梯度分布图；

图4是对应图3的目标热流密度求解得到的扫描热流密度图；

图5是目标热流密度与扫描热流密度相对误差图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为电子束扫描加热原理图，其大致原理为：真空室1提供真空环境，阴极2金属丝通电加热后发射电子，被阳极3加速后形成高能电子束4，由聚焦磁场5和偏转磁场6作用后，使电子束4聚焦到指定的束斑大小并打靶到相应位置，调节偏转磁场6使束斑在靶材7上快速扫描，实现加热，靶材7固定在冷却设施8上，整个真空室1以及冷却设施8安装在支撑架9上。本发明提供一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法，所述方法包括：

步骤一：对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理，得到离散形式的目标热流密度；具体使用线性插值或者二次插值或者更高次数的插值方法对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理，线性插值或者二次插值或者更高次数的插值方法均为现有技术，在此不做赘述。

步骤二：根据热流密度特征以及扫描区域的几何特征规划扫描路径；

步骤三：在一个扫描周期内建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组，求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间；具体过程为：

如图2所示，材料表面中心点为i点，在电子束扫描过程中，当束斑中心位于材料表面中心点i时，束斑中心按照s型扫描轨迹在材料表面不断移动，材料表面j点在该过程中与电子束产生相互作用吸收热量，且吸收的热量随着束斑移动发生改变。当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点在一个扫描周期内的平均热流密度为其中，δti表示束斑中第i个扫描点在材料表面中心点上停留时间，i＝1,2,3…n，n表示扫描点的数量，t0表示一个扫描周期且q″ij表示当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点的热流密度。

为了通过电子束扫描加热方法实现目标热流密度，j点的平均热流密度应等于该处的目标热流密度q″j，因此可以构建能量守恒方程式

材料表面所有扫描点均应满足能量守恒关系，因此可建立方程组：

通过迭代求解法或者矩阵求逆法求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间，其中，迭代求解法或者矩阵求逆法均为现有技术，在此不做赘述。

步骤四：根据扫描路径以及扫描停留时间计算得到扫描热流密度，具体的，获取扫描路径中每个扫描点的扫描停留时间，再依据特定的扫描路径对材料进行扫描加热获得扫描热流密度。通过本发明的方法获得的扫描热流密度具有极高的精度，一般与目标热流密度的相对误差可控制在5％以内。对于图3所示的目标热流密度，其最大值为5.1mw/m2，最大热流梯度为148.5mw/m3，通过上述方法求解得到停留时间，进而得到扫描热流密度如图4所示，扫描热流密度和目标热流密度的相对误差如图5所示，最大误差不超过5％。

通过以上技术方案，本发明提供的一种利用电子束扫描实现非均匀热流密度分布的方法，以电子束为热源在材料表面进行扫描，通过控制不同位置的停留时间，实现非均匀的热流密度分布，对原目标热流密度数据进行离散化处理，在一个扫描周期内对各扫描点建立能量平衡方程，求解得到各扫描点的停留时间，通过扫描路径以及扫描停留时间获取的扫描热流密度具有较高的精度。

实施例2

与本发明实施例1相对应的，本发明实施例2还提供一种利用电子束扫描实现非均匀热流的装置，所述装置包括：

数据处理模块，用于对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理，得到离散形式的目标热流密度；

路径规划模块，用于根据热流密度特征以及扫描区域的几何特征规划扫描路径；

扫描停留时间获取模块，用于在一个扫描周期内建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组，求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间；

扫描热流密度获取模块，用于根据扫描路径以及扫描停留时间计算得到扫描热流密度。

具体的，所述数据处理模块中，使用线性插值或者二次插值或者更高次数的插值方法对原目标热流密度进行扫描点规则化的离散式处理。

具体的，所述扫描停留时间获取模块还用于：当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点在一个扫描周期内的平均热流密度为其中，δti表示束斑中第i个扫描点在材料表面中心点上停留时间，i＝1,2,3…n，n表示扫描点的数量，t0表示一个扫描周期且q″ij表示当束斑中心位于材料表面中心点时，材料表面j点的热流密度。

更具体的，所述扫描停留时间获取模块还用于：通过公式构建能量守恒方程式，其中，q″j表示材料表面扫描点j的目标热流密度。

更具体的，所述扫描停留时间获取模块还用于：材料表面所有扫描点均应满足能量守恒关系，因此，通过公式建立扫描热流密度与目标热流密度的能量平衡方程组。

具体的，通过迭代求解法或者矩阵求逆法求解能量平衡方程组得到不同扫描点的扫描停留时间。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。