基于虚拟模型的目标易损性／战斗部威力评估方法

随着计算机技术的发展及军事需求的增长，目标易损性／战斗部实战威力（V/L）的仿真评估方法研究，已经从简单的战斗部威力参数评估发展到实战毁伤威力的仿真模拟，评估目标也从简单的简化目标发展到复杂的三维目标。但是，采用目前的传统评估技术和方法仍难以实现目标三维模型的描述，以及弹目交会作用结果的精确分析。因此，有必要结合计算机仿真技术及高精度目标毁伤评估技术，研究新的目标毁伤评估方法，为目标毁伤／战斗部威力的高精度评估奠定基础。     

基于数值计算结果的破片战斗部威力仿真方法

建立了包含数值方法和分析方法的威力仿真方法。考虑数值计算的规模和复杂度，采用爆轰计算获得初始时刻破片场，利用分析方法描述破片飞散和破片作用目标的过程。采用该威力仿真方法，实现了对破片场形成、破片飞散、破片作用目标的全过程描述。数值计算采用LS-DYNA软件，为了获得战斗部初始时刻破片场，开发了接121处理程序。利用分析方法，建立了破片飞散和破片毁伤性能评估模型，飞散模型中考虑空气阻力等因素的影响，破片毁伤性能评估模型中采用THOR方程预估破片剩余速度、剩余质量和最大穿透厚度，从而获得破片弹道、破片威力参数和破片对靶板的毁伤效果。通过对虚拟靶板上命中破片进行统计，计算出破片命中靶板密度分布和破片飞散角分：布，完成破片战斗部威力仿真试验。在威力仿真方法的基础上，建立了系统仿真模型（图1）。采用面向对象的Visual Studio．NET编程语言，实现威力仿真软件的编码。     

新概念高能激光武器与强激光光学计量检测技术

新概念高能激光武器的研究与发展已有四十多年的历史。第一代高能激光武器主要采用连续波化学激光器，其输出功率可达百万瓦。第二代高能激光武器主要采用了波长更短的节能固体激光器件，其输出功率为100kW。与第一代高能化学激光武器采用超高能量直接烧毁杀伤目标不同，第二代高能固体激光武器寻求节能型杀伤方式，即以最小程度的破坏来实现致命杀伤的效果。随着高能激光武器的发展和实战部署，作为高能激光武器核心的高能激光系统总体性能参数(能量/功率、激光波形、光束质量、近场和远场的强度分布、光束指向稳定性、光谱和偏振特性等)的计量和测试显得尤为重要。文中围绕新概念高能激光武器的历史、研究现状和未来发展展开论述。高能激光武器系统的研制对强激光光学计量检测技术提出的新要求和挑战有助于推进强激光光学计量检测技术的发展。     

激光武器反卫星技术研究

针对激光武器反卫星的机理进行分析和研究,得出两个结论:激光武器摧毁空间目标具有速度快、攻击空域广的特点,利用激光的光效应和高能热效应,直接照射卫星可以破坏其光电探测器,从而破坏敌方的卫星装置;建立了卫星探测器的一维热模型,在对探测器材料的破坏阈值进行理论计算的基础上,利用CW COIL辐照PV型InSb探测器对破坏阈值进行实验研究,二者数据吻合较好。     

激光辐照下卫星筒体部分多物理建模及毁伤效应分析

激光反卫星武器是干扰、破坏星载光电仪器设备或摧毁卫星平台的重要手段。基于Fourier的非稳态导热方程,结合靶材内部的实际结构和金属材料的高温特性,通过建模与数值仿真,实现了卫星筒体在激光辐照下毁伤的仿真过程,获得了典型工况下靶材的温度、熔化深度和内部应力分布等多物理变化规律。分析了不同功率密度的激光对靶材温度场和熔化速率的影响,以及靶材内部的应力耦合现象。分析结果表明:随着激光功率密度的不断升高,靶材的毁伤速率不断增加,但在相变处其熔化速率趋于稳定;同时,在典型工况下,由于应力耦合效应靶材会在极短的时间内超出许用应力值,发生损毁。     

飞秒脉冲激光辐照FRAM诱发的毁伤效应及热演化

空间高能粒子辐照航天器电子器件诱发的毁伤和热演化特征,直接关系到航天器的在轨安全运行和在轨任务的顺利实施。本文利用自行构建的飞秒脉冲激光辐照系统、激光诱发毁伤的数据采集系统、数据读写系统和红外热成像系统,开展了不同激光输出重复频率、不同作用区域下辐照铁电存储器(FRAM)实验,获取激光辐照于铁电存储器被照面的稳态温度场和铁电存储器的暂态失效和永久失效出现时间,并观测了辐射效应对铁电存储器的毁伤效果,经MATLAB软件处理得到了激光辐照铁电存储器不同区域热演化过程的温度场分布。实验结果表明:在激光输出功率近似相同的飞秒脉冲激光辐照条件下,激光脉冲输出重复频率越低,诱发永久性毁伤出现时刻的时间越长,近似呈非线性增长;随着激光输出重复频率的增大,激光对铁电存储器的作用由激光电离存储器介质产生的高能带电粒子对铁电体自发极化的破坏为主,逐步转变为以热辐射与热应力诱发的毁伤;当激光在器件表面产生的最高温度接近存储器最高工作温度时,永久毁伤的出现时间将显著延长。并通过对回归参数的计算和假设检验,给出了回归参数的置信度1-α为95%的条件下激光辐照区域1与区域2的最高辐射温度与激光输出重复频率的拟合关系式。     

基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层研究

本文首先介绍了激光武器在未来战争中的突出地位和发展现状,阐明了高能激光束与目标材料相互作用时的热效应毁伤机理;总结了基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层的研究进展,包括等离子喷涂金属涂层和陶瓷涂层的研究进展、以及各自的技术特点和防护效果,为高能激光防护领域的研究提供了借鉴。研究结果表明,控制金属涂层在激光辐照过程中的氧化现象能有效地提高涂层的激光防护性能,同时具有优异反射性能的新型陶瓷涂层在高能激光防护领域中有较好的发展前景。     

CW激光辐照薄板热力响应全场测量

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程,利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响,发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量,是一种很有效的实验测量手段。     

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。     

高能激光打击巡航导弹能力分析与仿真

巡航导弹作为一种远程精确制导的高技术武器装备,已成为以＂非接触精确打击＂为主要特点的新作战思想的重要支柱,在高技术局部战争和军事冲突中发挥了重要的威慑和杀伤作用。如何打击敌方巡航导弹成为现代战争中急需要解决的问题。高能激光以其独特的优势,成为对抗巡航导弹的理想武器。为有效评估高能激光打击巡航导弹的能力,采用改进的ADC效能评估法,建立了高能激光打击巡航导弹能力模型,并对其进行分析,重点对光束的毁伤能力进行了仿真,给出了影响光束打击巡航导弹能力与各因素的具体关系。     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型,研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性,并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下,激光光斑半径越大,产生的热应力和温度越小;脉宽越小,产生的热应力越大;随着脉冲数的增加,温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是,当重频增加至45 Hz以上时,熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值,这说明当重频增加到一定程度时,非透明光学材料将首先产生熔融损伤,而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下,杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时,杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

强激光干扰下运动目标热损伤效应的有限元研究

为对空中飞行目标实施合理有效的强激光干扰,需要综合考虑采用的干扰方式、干扰效果以及考虑光斑偏移对干扰效果的影响。以热传导理论为基础,建立了激光辐照下移动目标温度场模型,采用伽辽金法建立了有限元分析模型,采用了等效比热容的方法处理材料的相变过程;并以Ansys软件为仿真平台,对目标在高斯分布的强激光作用下的温度场和热应力进行了综合仿真分析。结果表明,光斑与目标辐照区域的相对偏移对目标表面温度影响较大,对目标纵深破坏效应相对较小,应力变化主要发生在激光辐照区域,应力最大处也会随热源的移动而变化。     

CW激光对铝合金薄板的热应力破坏的模拟计算

 用有限元法模拟计算了连续激光对受预载荷作用的铝合金薄板产生的热应力破坏，得到了破坏阈值与预载荷、激光功率密度及激光波长的关系。计算中考虑了材料的物性参数如表面耦合系数、屈服强度、膨胀系数等随温度变化而改变。所得结论与文献[1]对铝合金材料的实验结果在量级上相符。     

相变微胶囊功能流体融化状态的数值模拟

本文用双流体模型模拟相变微胶囊(MCPCM)功能流体在大通道层流流动中的融化状态.MCPCM功能流体的入口条件和边界条件类型是影响MCPCM在管道中沿程融化率和融化速率的两个重要的决定因素.本文给出了恒壁温和恒热流两类边界条件下,不同入口条件时,MCPCM截面平均融化率和融化速率沿管道方向的变化趋势.提出了利用MCPCM的融化率与温度场的关系,通过管道截面的平均温度和截面温度场估算MCPCM截面平均融化率的思路.     

毫秒脉冲激光致硅光电二极管电学损伤的有限元分析及实验研究

为了研究毫秒脉冲激光致硅基PIN光电二极管电学损伤,基于热传导及弹塑性力学理论,在光电二极管内部材料各向同性并且P-I-N三层结构之间满足温度连续和热流平衡条件下,建立毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管二维轴对称模型,采用有限元方法模拟分析了1064 nm Nd:YAG毫秒量级脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管的温度场与应力场分布,并实验测量了硅基PIN光电二极管实验前后的电学参数.结果表明,激光辐照硅基PIN光电二极管时,温升使材料表面熔融、烧蚀,并且在空间上存在温度梯度变化,即激光辐照产生的热与应力使光敏面及硅晶格晶键损伤,最终造成光电探测器的探测性能下降.研究结果可为毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管电学损伤机理奠定基础.     

Microstructure, hardness and stress in melted zone of 42CrMo steel by wide-band laser surface melting

Using laser surface melting (LSM) of a roller, to obtain the desired distribution of the microstructure, hardness and residual stresses with minimum distortion, is essential in order to improve machining efficiency and to achieve reliable service performance. In this study, a 3D finite element model has been developed to simulate the wide-band LSM process and predict the thermal and mechanical properties in the melted zone. The microstructure evolution, hardness distribution and stress field in the melted zone with different laser power were simulated. With the increase of the laser power from 3000 to 3800 W, the width and the depth of the laser melted layer increase, while the laser power has a little effect on the martensite contents, which exceed 90% in the melt-hardened zone. It greatly affects the mechanical properties in the melt-hardened zone with its volumetric expansion effect and the hardness increases by 2-3 times. The residual stress distributed within the melt-hardened zone is always of the compressive type. The amplitude of compressive stress exists in the transition region, and the amplitude of von Mises stress within the heat affected-zone (HAZ) decreases with the increase in laser power. The accuracy of the developed finite element simulation strategy is validated for phase proportion and hardness distributions through the wide-band LSM on roller steel with proper instrumentation for data measurement. This agreement is encouraging.     

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.     

Numerical simulation of temperature distribution and TiC growth kinetics for high power laser clad TiC/NiCrBSiC composite coatings

A three dimensional model was proposed to simulate high power laser clad TiC/NiCrBSiC composite coatings on Ti6Al4V alloys. The temperature distribution, temperature curves on different nodes, three dimensional shape and size of TiC melting region, molten pool and heat affected zone (HAZ) of the substrate were obtained. To have a clear physical insight into the phase transformation and microstructure evolution in the coatings during laser cladding process, a theoretical kinetic analysis was performed to elucidate the nucleation, growth velocity, and size of TiC particles on the basis of simulated temperature curves of the molten pool. A good quality TiC/NiCrBSiC composite coating with low dilution rate and excellent metallurgical bond was fabricated under optimal processing parameters using powder mixture of TiC and NiCrBSiC as clad material and cuboid of Ti6Al4V alloys as substrate. To validate the reliability of the proposed model, the theoretical results were compared with the microstructure of the coatings. It shows that these theoretical results are in excellent agreement with the experiment cases.