一种激光冲击强化过程碳排放监测平台与工艺优化方法

本发明涉及一种激光冲击强化过程碳排放监测平台与工艺优化方法，属于先进制造与自动化。

背景技术：

1、激光冲击强化技术作为一种高新技术被广泛应用于航空航天、军工加工、船舶、医疗等高端产业来提升靶材服役寿命并提升靶材表面强度。激光冲击强化利用强激光束产生的等离子冲击波，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力，从而提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力。在加工过程中，激光冲击强化装备所使用的电能不完全转化与靶材对激光热量的不完全吸收会大量增加碳排放量。因此，降低激光冲击强化过程碳排放对减少我国制造业碳排放具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对激光冲击强化过程中碳排放源复杂所导致的碳足迹难以分析、碳排放评估困难等问题，在明确激光冲击强化过程中的碳排放边界的基础上，通过搭建激光冲击强化过程碳排放监测平台，获取加工过程中的关键工艺参数，进而构建激光冲击强化过程碳排放综合模型，设计一种基于cubic(立方)混沌与纵横交叉策略多目标白鲸优化算法对所建立模型进行求解；通过激光冲击强化实验案例验证所提出模型的有效性与可行性。通过对工艺参数进行优化，达到减少激光冲击强化过程中碳排放，通过优化激光冲击强化工艺参数，降低激光冲击强化过程中的碳排放，减少温室气体排放量，提高激光冲击强化质量，进而实现激光冲击强化过程高质量、低碳的发展目标。

2、本发明激光冲击强化过程碳排放工艺优化方法，包括以下步骤：

3、s1：基于激光冲击强化机理建立激光冲击强化碳排放模型；

4、s2：搭建激光冲击强化过程碳排放监测平台，对激光冲击强化装备进行各子系统碳排放模型参数获取试验并分析试验结果；

5、s3：构建面向低碳的激光冲击强化过程碳排放与工艺参数多目标优化模型；

6、s4：基于cubic混沌与纵横交叉策略多目标白鲸优化算法的激光冲击强化工艺参数模型求解；

7、s5：验证实验。

8、根据本发明：步骤s1包括如下子步骤：

9、s11：构建激光清洗过程时间模型ttotal＝td+tw，

10、式中：ttotal表示激光冲击强化总时间；td表示激光冲击装备待机时间，tw表示激光冲击强化装备的工作时间。

11、在激光冲击强化过程中，激光发生器子系统、进给子系统、送水子系统同时开启且同时关闭，因此三个子系统的工作时间及待机时间相同。激光冲击强化过程中，为降低能耗、减少碳排放，试验过程中采用蛇形轨迹对靶材进行冲击强化，设搭接率为α，得到激光冲击强化时间函数为：

12、式中，t为激光冲击强化时间；l为代加工工件长度；d为代加工工件宽度，r为光斑直径，α为搭接率，v为光斑移动速度。

13、s12：冷却子系统作为独立的子系统，根据实际试验情况对温度进行高低调节，与其他子系统之间不用存在必然联系与相互影响，因此，冷却子系统的时间函数需单独计算。冷却子系统工作时间为

14、式中：tc为冷却子系统工作时间；tw为激光设备工作时间；pi为激光输入功率；po为激光输出功率，ρl为冷却液密度；th为冷却液最高温度；tl为冷却液最低温度，cl为冷却液比热容；v为冷却液流速。

15、s13：构建激光发生器子系统碳排放模型cl＝(pw·tw+pd·td)·fe，

16、其中：cl为激光发生器子系统碳排放；pw为激光发生器工作功率；tw为激光发生器工作时间；pd为激光发生器子系统待机功率；td为激光发生器子系统待机时间；fe为电网碳排放因子；

17、构建进给子系统碳排放模型

18、其中，cr为进给子系统碳排放；psms为进给子系统工作状态功率；d为进给距离；t为进给子系统工作时间；phs为待机状态下功率；ta为进给子系统总工作时间；tw为进给子系统工作时间；fe为电网碳排放因子；

19、s15：构建冷却子系统碳排放模型cc＝(pw·tw+pd·td)·fe

20、式中，cc为冷却子系统碳排放；pw为冷却子系统工作状态功率；tw为冷却子系统工作时间；pd为冷却子系统待机状态功率；td为冷却子系统待机时间；fe为电网碳排放因子；

21、s16：构建送水子系统碳排放模型cs＝(pw·tw+pm·tm)·fe，

22、其中，cs为水冷子系统碳排放；pw为水冷子系统工作功率；tw为水冷子系统工作时间；pm为水冷子系统待机功率；tm为水冷子系统待机时间；fe为电网碳排放因子；

23、s17：构建辅助子系统碳排放模型

24、其中：ca为辅助子系统碳排放；ni为辅助子系统启动个数；pi为辅助子系统工作功率；tm为辅助子系统工作时间；fe为电网碳排放因子；

25、s18：综上所述，整理得到激光清洗过程总碳排放模型如下：

26、

27、根据本发明：步骤s2包括如下子步骤：

28、s21：搭建激光冲击强化过程碳排放监测平台；

29、s22：基于试验数据进行分析后，拟合数据得到函数关系式pin＝347n+267.5；式中，pin为激光发生器输出功率，n为激光能量值；

30、s23：获取进给子系统功率参数值；

31、s24：获取冷却子系统功率参数值；

32、s25：获取送水子系统功率参数值；

33、s26：获取辅助子系统功率参数值。

34、根据本发明：步骤s3包括如下子步骤：

35、s31：基于matlab 2020软件，对试验数据中主要工艺参数进行数据拟合，构建显微硬度函数：

36、

37、式中，hv为维氏硬度；el为激光能量，pw为激光设备功率；t为激光设备工作时间；

38、s32：基于matlab 2020软件，对试验数据中主要工艺参数进行数据拟合，构建残余应力函数：

39、

40、式中，fr为残余应力值；el为激光能量，pw为激光设备功率；t为激光设备工作时间；

41、s33：建立多目标优化模型函数

42、f(qout,tws)＝min{ce},max{hvc},{fr}

43、

44、式中，qout为激光器输出能量，tws为激光器工作时间，ce为激光冲击强化过程中总碳排放量，hvc为维氏硬度值，fr为残余应力值，qmax为激光器最大单次输出值，qmin为激光器最小单次激光输出值，twmax为激光器最大工作时间，twmin为激光器最小工作时间，hvmax为靶材最高维氏硬度值，f(x)为激光冲击强化次数。

45、根据本发明：步骤s4包括如下子步骤：

46、s41：基于cubic混沌与纵横交叉策略多目标白鲸优化算法进行多目标优化；

47、s42：基于熵权法-灰色关联度分析评价方法分析选取最优解。

48、本发明有益效果是：本发明在明确激光冲击强化碳排放机理的基础上构建激光冲击强化碳排放模型，可以为激光冲击强化碳足迹分析的研究提供一定的数据支持与补充，通过优化激光冲击强化工艺参数，降低激光冲击强化过程中的碳排放，减少温室气体排放量，提高激光冲击强化质量，进而实现激光冲击强化过程高质量、低碳的目标，为今后的学者研究激光冲击强化的碳足迹分析提供一定的思路与借鉴。