賀利氏特種光源(英國劍橋)正帶領(lǐng)開發(fā)應(yīng)用于humm3®閃光燈系統(tǒng)的光學(xué)熱學(xué)模型。創(chuàng)建可靠模擬的過程包括了使用角度測量(繞軸旋轉(zhuǎn))和光譜輻照度(表面接收到的光能)測量的氙閃燈光源的光學(xué)特性，然后測量光譜能量級別、光源的空間分布和光電轉(zhuǎn)換能源效率。

測量光譜能量

下面的圖1顯示了配備光譜輻照度，來測量氙燈關(guān)于波長的能量輻射實驗裝置。這個系統(tǒng)中，氙閃燈發(fā)出的光進入一個預(yù)先設(shè)定的距離(通常是0.5到1米，見左下圖)的探測器。然后，光通過光纜傳輸?shù)诫p單色儀系統(tǒng)(見最下面的左圖)，該系統(tǒng)測量特定波長的光強度。這就得到了光源的詳細光譜輻照度圖——這種情況下，測量到了humm3^®閃光燈發(fā)出的氙氣光能量的整個發(fā)射曲線(圖2)。

圖1

用于光譜輻照度測量的雙單色儀測試裝置。氙燈發(fā)出的光(右上)進入探測器(左上)，探測器通過光纜將光傳輸?shù)诫p單色儀，雙單色儀測量特定波長的光強度。這樣就可以繪制出閃光燈發(fā)射光能的光譜細節(jié)圖。

圖2

humm3®氙閃燈出光的光譜輻照度測量

圖片來源:賀利氏特種光源

測量能效

圖3

德國哈瑙的賀利氏驗室中，通過積分球(圖3)對系統(tǒng)效率進行了評估，以準確地確定在不同電壓水平下從humm3®導(dǎo)光塊輸出的光譜能量。球體的特點是具有高度反射的漫反射表面，引導(dǎo)幾乎所有的光學(xué)能量從閃光燈模塊頭發(fā)出到雙單色儀探測器。通過對給定脈寬和頻率的脈沖能量進行調(diào)節(jié)，根據(jù)閃光燈對應(yīng)的電壓范圍，可以測量出humm3®模塊頭發(fā)出的平均光學(xué)功率。

分析角能量分布

為了達到高質(zhì)量的復(fù)合材料鋪疊，閃光燈模塊頭對于自動鋪絲(AFP)的起軋點的位置也是極其重要的因素。與此同時，為了測量輸出能量，我們也測量了氙閃燈光強隨著光源角度的變化情況。所有研究角能量分布的測量都是標準化的，而不是測某個點的能量。這些測量結(jié)果用于閃光燈的光線追蹤模擬實驗，來預(yù)測氙燈的脈沖能量在基材、起軋點和進來的絲束之間是如何分布的。

圖4

Noblelight 用TracePro軟件的光學(xué)模型實驗結(jié)果。

圖片來源:賀利氏特種光源

光學(xué)光線追蹤分析（圖4）-----使用了TracePro 軟件 (Lambda Research Corp., Littleton, Mass., U.S.)----詳盡的計算了復(fù)合材料絲束和基材的表面輻照度輪廓。這些輻照度輪廓，用于熱學(xué)模擬邊界條件的參考意見。碳纖維增強LM-PAEK(低熔點聚醚酮)帶的光學(xué)和熱學(xué)性能，也給相關(guān)的加工溫度提供了模型。

物理實驗驗證

作為驗證步驟，自動鋪絲(AFP)物理實驗也在法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實驗平臺(Compositadour (Bayonne, France))進行。以此來展示用模擬實驗來預(yù)測實際自動鋪絲(AFP)鋪疊溫度值的能力。紅外溫度記錄儀，和鋪放復(fù)合材料內(nèi)的嵌入式薄熱電偶，用于測量自動鋪絲(AFP)實驗加工溫度。測量看得出，和接近起軋點區(qū)域和沿著厚度方向的預(yù)測溫度輪廓，有相當?shù)囊恢滦浴?/span>

但是，測量強調(diào)了熱學(xué)管理模具對于一開始幾層的材料影響。在鋪疊的開始，一開始的幾層非常接近于模具表面。模具形成了散熱板。因此，我們使用了被加熱的模具。模具的溫度對于自動鋪絲(AFP)起軋點的溫度有著強烈的影響。

      圖5

用humm3®氙閃燈加熱系統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料鋪疊實驗。

圖片來源：法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實驗平臺(Compositadour)

在鋪疊的初始階段，為了保持起軋點溫度的恒定，氙閃燈的脈沖參數(shù)需要調(diào)節(jié)。但是只要有幾層材料被鋪疊，這幾層就開始變成一種隔熱層，模具溫度的影響減少。這點在工藝上，無需在做進一步的脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)。

在FRAMES項目驗證實驗期間，加熱的模具用于驗證不同的自動鋪絲(AFP)加工溫度。  Guillaume Fourage(法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實驗平臺(Compositadour)工程師)解釋道，先進尾部展示器的制造方法并非一成不變的。我們在驗證的方法來做表面鋪疊，目的是找到工藝時間、能量消耗和鋪疊質(zhì)量的平衡。改變模具表面的溫度需要我們根據(jù)達到適合的起軋點溫度，來調(diào)整脈沖的參數(shù)。這是光學(xué)了些模型開發(fā)計劃的一部分。這幫助我們增加在不同鋪疊條件下的模擬的可靠性和穩(wěn)定性。

這些模擬模型也應(yīng)用到最終的加熱系統(tǒng)和清潔天空2熱塑性復(fù)合材料先進尾部展示器模具構(gòu)造。零件將于2021年生產(chǎn)、2022年組裝，目的是在2023年項目結(jié)束前達到技術(shù)就緒等級(TRL)6。同時，生產(chǎn)就緒等級(MRL)已達到5/6。不僅是為了先進尾部展示器，也為了相關(guān)的正在開發(fā)中制造工藝和模具?？傮w先進尾部展示器項目的目標包括：成本減少達20%、復(fù)合材料重量減少達20%、燃料消耗減少達1.5%，同時改善空氣動力學(xué)符合清潔天空的環(huán)境目標。

此項目得到了清潔天空2聯(lián)合企業(yè)在撥款協(xié)議編號886549下的資助。聯(lián)合企業(yè)得到了歐盟的地平線2020研發(fā)創(chuàng)新項目的支持，除歐盟之外，清潔天空2聯(lián)合企業(yè)成員也給與了大力支持。