Оптимизация параметров двухлучевой лазерной очистки кварцевого сырья

Abstract

При помощи численного моделирования установлены значения технологических параметров, обеспечивающих эффективную двухлучевую лазерную очистку кварцевого сырья. Выполнена оптимизация двухлучевой лазерной очистки кварцевого сырья с использованием генетического алгоритма MOGA в программе ANSYS Workbench. С применением гранецентрированного варианта центрального композиционного плана эксперимента получена регрессионная модель двухлучевой очистки кварцевого сырья. В качестве варьируемых факторов принимали плотность мощности лазера с длиной волны излучения 10,60 мкм, плотность мощности лазера с длиной волны излучения 1,06 мкм, радиус частицы кварца, радиус частицы примеси и время обработки. В качестве откликов – максимальные температуры кварцевых частиц с примесью и без примеси. Проведена проверка регрессионной модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о наличии необходимого соответствия регрессионной модели данным конечно­элементного анализа. Выполнена оценка влияния параметров обработки на максимальные значения температуры кварцевых частиц. Оптимизацию двухлучевой лазерной очистки кварцевого сырья осуществляли по критерию минимума времени обработки при достижении значений максимальных температур кварцевых частиц с примесью температуры плавления и при ограничении значений максимальных температур кварцевых частиц без примеси значениями ниже температуры плавления. Оптимизацию выполняли для двух комбинаций размеров кварцевых частиц и частиц примеси. Проведено сравнение параметров, полученных в результате оптимизации, и параметров, полученных при конечно­элементном моделировании. Максимальная относительная погрешность данных, рассчитанных с использованием алгоритма MOGA, не превысила 2,5 % при определении максимальных температур. В результате моделирования установлены параметры обработки, использование которых обеспечит повышение производительности двухлучевой очистки кварцевого сырья. = In the work, with the help of numerical simulation, the values of technological parameters are established, which provide effective two­beam laser cleaning of quartz raw materials. The optimization of two­beam laser cleaning of quartz raw materials was performed using the MOGA genetic algorithm in the ANSYS Workbench program. Using the face­centered version of the central compositional plan of the experiment, a regression model of two­beam cleaning of quartz raw materials was obtained. The power density of a laser with the wavelength of 10.6 μm, the power density of a laser with the wavelength of 1.06 μm, the radius of a quartz particle, the radius of an impurity particle, and the processing time were used as variable factors. The maximum temperatures of quartz particles with impurities and quartz particles without impurities were used as responses. The regression model was tested. The results obtained allow us to conclude that there is a necessary correspondence between the regression model and the finite element analysis data. An assessment of the influence of processing parameters on the maximum values of the temperature of quartz particles was made. Optimization of two­beam laser cleaning of quartz raw materials was carried out according to the criterion of minimum processing time when reaching the maximum temperatures of quartz particles with an admixture of the melting temperature and limiting the maximum temperatures of quartz particles without an admixture to values below the melting temperature. Optimization was performed for two combinations of quartz and impurity particle sizes. The parameters obtained as a result of optimization and the parameters obtained as a result of finite element modeling are compared. The maximum relative error of the results obtained using the MOGA algorithm did not exceed 2.5 % when determining the maximum temperatures. As a result of the simulation, processing parameters have been established, the use of which will provide an increase in the productivity of two­beam purification of quartz raw materials.