激光辐照引起的材料温度场和热应力场的瞬态分布

 光电探测器吸收激光后的温升以及因温升造成的各种现象,致使探测器遭受到不同程度的损伤。利用热弹性理论对CO2激光器辐照K9玻璃材料进行研究,建立激光辐照材料温升及热应力分布二维平面模型,通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布。研究表明, K9玻璃材料的激光辐照损伤阀值与辐照时间和光斑半径相关。在同一条件下,造成的热应力损伤阀值较熔融损伤的低,故K9玻璃材料的破坏形态为热应力破坏。      

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

半导体材料的激光辐照效应计算和损伤阈值分析

在激光对抗中,探测器容易受到激光损伤,为此研究了连续强激光对半导体材料的损伤机理,建立了氧碘化学激光器辐照InSb圆板型靶材的二维物理模型。在圆柱坐标系中利用积分变换法,求解热传导和热弹性力学方程组。得到由激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。经过严格的理论分析,计算出InSb材料的激光破坏阈值,讨论了,不同的辐照时间和光斑半径对破坏阈值的影响。研究发现其破坏形态为熔融破坏,一般不会出现解理或炸裂现象,这一结果与相关实验报道一致。最后分析了与温度有关的非线性参量对损伤阈值的影响。     

1064 nm激光致熔石英损伤的数值模拟研究

为了研究1064 nm激光对增透熔石英的热应力损伤机理以及等离子体分布等效应。基于热传导和气体动力学理论,探究了毫秒激光对增透熔石英的热应力损伤和致燃损伤的理论模型,利用comsol软件模拟了1064 nm激光作用增透熔石英时材料内部的热损伤、应力损伤以及激光支持燃烧波,模拟结果表明在激光光斑半径区域内,温升较为明显,形成较大的温度梯度,激光作用区域受热膨胀,其余区域会对膨胀发生抵制,因此材料内部产生应力,其中上表面的径向应力、环向应力在激光光斑边缘附近达到最大值,应力损伤应该先从辐照中心点或激光光斑边缘附近产生,同时发现等离子体的传播是稳态的,燃烧波的最大速度发生在最初时刻,并随着扩散时间逐渐变低。     

复合脉冲激光辐照下三结GaAs电池的损伤特性

根据傅里叶热传导理论和热应力场理论,利用COMSOL仿真软件和Matlab软件构建了复合激光辐照下三结GaAs太阳能电池的复合损伤模型,计算了单毫秒激光和复合脉冲激光辐照下太阳能电池的温度和应力场分布。结果表明,相比单毫秒激光,复合激光辐照会产生更大范围的熔化损伤并且伴随出现明显的应力损伤,损伤面积和深度会随着纳秒脉冲激光能量密度和作用时间延时的增加而增加。能量密度增加到0.5 J/cm~2时,熔化损伤半径增大到2 mm,深度增大到1.5μm;时间延时增加到0.5 ms时,熔化损伤半径增大到1.4 mm,深度增大到1μm。     

光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究

为了探究不同光斑尺寸连续激光辐照6 061铝合金的温度响应及热致损伤问题,基于ANSYS有限元软件建立了激光辐照下的三维物理模型;使用不同的激光参数进行激光辐照实验,根据所采集的温度和前表面散射光强度数据,反演计算了靶材在激光辐照过程中吸收率的动态变化;最后,利用优化后的模型分析了不同光斑尺寸下,激光辐照靶材的温升特点。研究结果表明:在1 000 W/cm~2的激光辐照条件下,材料的吸收率随着温度的升高而升高;由于激光加载的局域化特征,横向热扩散影响纵向温升,光斑足够大时该影响变小,这与其热扩散长度有关;对于4 mm厚的6 061铝合金材料,当光斑尺寸大于10 cm时,光斑影响可以忽略,靶材背表面发生熔融损伤时间阈值保持2.6 s不变。     

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

 研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明：多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。     

连续激光辐照下的TiO_2薄膜热传导性质

热传导规律的研究在激光诱导薄膜材料改性等应用中有着重要的作用,本文针对二氧化碳激光器辐照下的二氧化钛(TiO_2)薄膜表面的热效应进行了理论仿真和实验研究。首先,对具有粗糙上表面的TiO_2薄膜,利用有限元法构建了连续激光作用下的TiO_2薄膜的立体模型并得到了其三维温度场分布。然后使用CO_2激光器进行辐照实验,分析了辐照时间和功率等参数对TiO_2薄膜形貌、晶相以及颜色的影响。仿真表明,连续激光辐照下TiO_2薄膜的瞬态温度场呈高斯分布,且与激光功率、光斑半径、辐照时间等因素有关。当表面温度小于分解温度时,薄膜上表面最大平均温度与激光功率满足线性关系,与光斑半径满足ExpAssoc非线性关系。实验结果表明,激光辐照引起TiO_2薄膜材料表面粗糙度降低且颜色变化。激光功率过小或辐照时间过短会导致有效作用面积小且不均匀,反之会产生热形变。结合仿真和实验可知使用功率为6 W,半径为3 mm的连续激光辐照TiO_2薄膜10 s时取得的处理效果最优。     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

强激光对燃烧室壳体的热-力毁伤研究

基于ANSYS有限元软件,按有无内压作用,分别对激光辐照下燃烧室壳体的温度场、热应力、应变与损伤进行了计算与分析.分析表明,壳体的温度场分布与光束的功率分布一致,光斑中心温度最高.壳体中应力最大值不在光斑中心,而是位于光斑边缘处,在壳体吸收的激光功率密度超过1 000W/cm2时,壳体中应力大于材料的强度极限,壳体均会发生软化.在存在内部燃气压力的情况下,壳体应力会产生局部集中,沿壳体环向表面通过光斑中心中轴线区域很有可能裂口;相比较无内压的壳体,存在内压的壳体中的应力和产生的形变均大于无内压时的壳体.因此,为达到相同的毁伤效果,在存在内压的情况下,可以适当的降低激光的辐照强度.     

地层静温预测的非牛顿流体数学模型

根据热力学参数、泥浆参数及井筒结构参数等，先选定一个地层温度梯度进行计算，得出泥浆出口温度.将此计算值与实测温度值比较，按照比较结果再修正所选的地层温度梯度.如此反复，直到得出合理的地层温度梯度.在此基础上，从热力学及流体力学等有关方程出发， 经过推演得到井壁上温度随深度变化以及地层温度分布的数学模型.由于钻井过程中泥浆、 岩石及其温度场间是相互作用、相互影响的，这为研究热 流 固耦合渗流过程的理论与应 用提供了一种新的方法. 关键词： 温度梯度 非牛顿流体 数学模型     

基于ANSYS的脉冲激光辐照石英玻璃的温度场数值模拟

采用有限元仿真软件ANSYS 12.0对脉冲功率激光辐照石英玻璃建立了热力学模型,对其表面温度场进行了数值模拟,得到了在不同激光功率密度下的瞬态温度场分布,并对模拟结果进行了分析和研究,为激光辐照石英玻璃实验提供依据.     

基于靶面温度测量的激光强度时空分布重构方法

基于靶面温度分布测量反演激光强度时空分布的重构表达式中,被积函数包含的奇异阿贝尔核函数导致了求解积分表达式的病态和解的不稳定。为了解决这一积分求解问题,基于广义函数理论和正则变换方法,对积分函数进行了重新构造,获得了基于靶面温度时空分布测量反演入射激光强度分布的重构算法,并分析了重构结果对温度测量误差的敏感性。借助数值模拟方法对重构算法进行了验证,数值计算给出了重构强度误差与靶板厚度和辐照时间的关系。验证结果表明,两种背光面边界条件下反演获得的激光束时空分布,不仅与原始模型激光束达到了较好的一致,而且不受薄板条件的限制。算法对强激光辐照效应的靶面激光参量监测有实用性。     

回热器的热声直流模型及其应用研究

由基本的守恒方程出发 ,获得了能描述回热器存在声直流时的非线性动力学模型及由此而导致的非线性时均热力学效应。根据所得到的模型 ,考察了声直流对临界声功产生率温度梯度、回热器温度分布及其性能的影响     

梯度磁场作用下光纤中磁流体光透射特性研究的建模与分析

对光纤中磁流体在梯度磁场作用下的光透射特性进行了研究,提出光纤中磁流体的光透射率变化主要来源于梯度磁场引起的磁流体密度分布变化。根据郎之万函数和流体理论,推导了光纤中磁流体在梯度磁场作用下的密度分布,并根据Beer-Lambert定律,得到磁流体光功率透射衰减和纳米粒子局部密度的关系,从而建立光纤中磁流体在梯度磁场作用下光透射特性的理论模型。进而对光纤中磁流体在不同梯度磁场作用下的光透射功率进行数值分析,得到不同磁场强度和磁场梯度下光纤中磁流体透射功率的变化规律。最后将数值分析的结果和实验数据进行对比,验证了模型的合理性, 同时也验证了梯度磁场作用下磁流体光透射功率的变化主要来源于磁流体密度分布变化的推论。     

活塞激光热负荷应力场数值模拟

活塞激光热负荷就是通过光学转光片改变激光在空间的能量分配比例.结合活塞激光热负荷试验工况,建立了活塞激光热负荷应力场模拟数学物理模型,模型中考虑了材料的热物性参数随温度的变化.结果表明:由于活塞顶凹坑位置靠近通油孔,导致其应力波动幅值比激光辐照区域大;活塞凹坑、通油孔和靠近活塞顶面的活塞内腔由于和冷却介质直接接触,是活...     

金属板材应力集中现象的实验研究

本文运用电测法,通过测量有圆形孔洞金属板材圆孔周围的应力,分析圆孔周围应力集中规律;运用材料力学、弹性力学的基本原理,通过金属板材单纯受拉或纯弯时的情况分析、讨论叠加原理在处理应力集中问题时的具体应用方法。     

温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法,搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台,对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明,粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体,反射率低于0.25。在常温至320℃范围内,靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。