当激光束精准作用于材料表面，瞬间完成污染物或氧化层的去除 —— 这一看似简洁的激光除锈过程，背后隐藏着复杂的温度场与应力场变化。这些微观物理场的分布直接决定了除锈效果的优劣，却因激光光斑小、温度高、冷却速度快等特点，难以通过实验直接测量。如今，数值模拟技术正成为破解这一难题的关键，为激光除锈技术的优化提供了可靠的科学支撑。
一、数值模拟的核心：有限元方法的 “化繁为简”
数值模拟之所以能胜任激光除锈的复杂分析，核心依赖于有限元方法的成熟应用。这一诞生于 20 世纪 60 年代的数值计算技术，通过将复杂的物理问题转化为可求解的数学模型，打破了传统偏微分方程难以获得解析解的困境。其核心逻辑是将分析区域离散为有限个相互连接的 “模块”，通过近似函数描述每个模块的物理状态，再通过插值法整合得到整体的近似解。随着插值精度的提升，近似解与真实解的误差会不断缩小，最终满足工程分析的需求。
凭借功能全面、操作简便、计算可靠等优势，有限元方法已成为工程领域的主流分析工具，而针对激光除锈的数值模拟，正是其在热传导与应力分析领域的典型应用。通过这种方法，原本看不见的温度分布、应力变化被量化为直观的数据与图像，为工艺优化提供了精准依据。
二、主流仿真工具：ANSYS 与 COMSOL 的 “各显神通”
在激光除锈的数值模拟实践中，ANSYS APDL 与 COMSOL Multiphysics 是两款应用最广泛的软件。它们基于相同的有限元原理，却在功能侧重与操作逻辑上各有特色，适配不同的仿真需求。
（一）ANSYS：简洁高效的工程化选择
ANSYS APDL 软件以集成化优势著称，集机械、力、电、热分析于一体，支持图形用户界面与参数化设计，易于工程师快速上手。其模拟激光除锈的核心流程清晰明确，主要分为四大步骤：
首先是建立有限元模型与设置材料属性。模型需贴合实际除锈样品的结构，而材料的热传导系数、密度、比热容、熔点等关键属性必须精准定义，通常采用命令流方式赋值 —— 这些参数的准确性直接影响仿真结果的可靠性。不过由于高温下材料物性参数难以测量，实际模拟中多采用常温参数，并假定其不随温度变化。
网格划分是 ANSYS 仿真的关键环节。合理的网格设计能同时提升计算速度与结果精度，工程师需根据模型大小、计算机性能和精度要求灵活选择划分方式。随后的边界条件设置同样重要，需定义材料表面与空气的对流、辐射等热交换参数，才能获得唯一且准确的热传导解。
激光加载方式的确定直接关系到仿真与实验的契合度。目前脉冲激光除锈多采用平面高斯热源模型，通过命令流在材料表面加载热通量，再通过循环实现脉冲激光的 “加载 - 移除” 过程，最终得到不同时间下的温度场分布。通过 ANSYS 仿真，研究者已获得诸多实用结论，例如朱国栋团队针对铝合金激光除锈的模拟，确定了 0.5mm 光斑直径、50ns 脉冲宽度、8kHz 重复频率和 40% 搭接率的最佳工艺参数。
（二）COMSOL：多场耦合的精准化利器
如果说 ANSYS 擅长工程化高效仿真，COMSOL Multiphysics 则以多物理场耦合分析的优势脱颖而出。该软件基于有限元法，可自由设置物理场耦合形式，无需编写子程序，能更便捷地处理激光除锈中温度场与应力场的耦合问题。
COMSOL 的仿真流程更注重细节精准度。在模型建立阶段，需根据研究需求选择平面或三维模型，并添加 “固体力学” 与 “固体传热” 双物理场接口，前者采用线性离散化，后者采用二次拉格朗日单元，以避免振荡应力的产生。网格划分上，COMSOL 提供自适应、手动定义等多种方式，针对激光照射的核心区域（材料上表面）采用超细化网格，底部则用粗化网格，在精度与效率间取得平衡。
激光热源的建模是 COMSOL 的亮点之一。考虑到激光能量集中的特点，软件采用高斯体热源模型，其能量密度沿深度方向按指数函数递减，更贴合实际激光的传播规律。通过嵌入热通量方程，可直接设置激光功率、高斯光束半径、材料吸收系数等关键参数，简化操作流程。
在热传导分析中，COMSOL 遵循朗伯 - 比尔定律与傅里叶定律，充分考虑激光的反射、吸收与穿透特性，建立三维瞬态热传导控制方程。边界条件的定义更为细致，不仅包括材料与空气的热交换，还明确了除锈层与基体的温度连续性条件，确保仿真的严谨性。求解时，根据激光除锈的瞬态特性选择瞬态求解器，通过合理设置时间步长，在保证计算精度的同时避免求解失败。
三、数值模拟的行业价值：从理论到实践的桥梁
无论是 ANSYS 的高效便捷，还是 COMSOL 的精准细致，数值模拟技术都为激光除锈行业带来了实实在在的价值。它不仅弥补了实验测量的局限性，让工程师能够直观观察温度场与应力场的动态变化，更能通过参数迭代快速优化工艺方案，减少实验成本与时间。
从实验室的理论研究到工业界的规模化应用，数值模拟正成为激光除锈技术升级的 “隐形引擎”。随着仿真算法的不断优化与计算机性能的提升，未来其将在多材料适配、复杂工况模拟等方面发挥更大作用，推动激光除锈技术向更高效、更精准、更可靠的方向发展。对于激光行业而言，掌握这一 “可视化” 工具，无疑将在技术竞争中占据先机。
热门跟贴