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.     

连续激光辐照锗材料损伤的数值模拟研究

 以热传导理论和热弹应力理论为基础,建立了连续平顶激光辐照锗材料的二维非稳态物理模型。对受辐照锗材料的热-力场分布进行数值模拟,比较了激光辐照时间对靶材热-力场分布的影响,探讨了温度场及应力场空间梯度随半径的分布以及激光辐照时间对热-力场空间梯度的影响。计算结果表明,靶材中心温升效应最大,而应力最大值出现在光斑半径外侧;光斑边缘处温度场和应力场梯度绝对值均达到最大,随着辐照时间的延长,材料同一点温度场和应力场梯度均增大。在给定条件下,计算了靶材的损伤时间,应力损伤域值最先达到。     

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。     

脉冲激光辐照TiO2/SiO2薄膜热效应研究

 采用1.06 μm单脉冲激光在不同能量密度下辐照特殊光电系统中典型薄膜光学元件，理论分析了激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场，在此基础上建立了激光辐照多层薄膜的物理模型，计算软件使用ANSYS软件的热分析模块对激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场进行了模拟，分别给出不同激光能量密度下薄膜表面光斑中心的温度场、径向温度场和轴向温度场分布；同时给出不同能量密度下薄膜的轴向、径向和环向热应力分布。并对激光辐照薄膜元件产生的温度场、热应力场进行了分析，阐明了原因。     

激光辐照下静止及旋转充压柱壳结构变形的对比分析

 采用3维实体单元模拟激光辐照下静止及旋转充压柱壳的应力和应变分布,分析了柱壳可能发生破坏的位置和条件。通过对计算结果的分析表明,对于激光辐照下静止及旋转充压柱壳,裂纹都有可能在光斑边缘附近产生。但由于在旋转充压柱壳上,在过光斑中心圆周上有高应力带状区域,因此旋转柱壳有可能在这一环带区域也发生破坏。在相同的激光加载条件下,静止充压柱壳更容易在局部区域开始发生破坏。     

外部流场对激光加热运动目标影响的数值模拟

 考虑激光与运动目标相互作用的基础上,利用有限元方法分析了亚声速条件下运动目标在激光辐照全过程的温度场和热应力场的分布与演化规律。结果表明：高速流场的存在,导致了明显的冷却效应;加热过程中目标材料出现了屈服,导致激光熄灭后结构内出现残余应力和变形;激光辐照区边缘产生很高的温度梯度和应力梯度,并且由于气流影响,受辐照区域前后两端应力分布不对称。     

激光辐照转动充压圆柱壳体热力学效应

 采用有限元计算方法对激光辐照下转动充压壳体的热力学问题进行了较为全面的数值计算，获得了激光辐照下转动内压圆柱壳壁上的温升、应力、应变、位移分布等物理图像，为进一步分析转动充压圆柱壳体在激光辐照下的破坏与失效奠定了基础。提出的解决数值计算中移动热流载荷问题的双时间步长法，可以有效提高计算效率，同时提高计算精度。研究结果表明：对于给定的壳体结构，其损伤阈值时间主要取决于靶面激光强度与壳体旋转频率；在辐照过程中，损伤最先出现在最初受激光辐照的区域。     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm, 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化,有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时,光斑大小只影响激光辐照点的温升,对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关,激光功率越大,基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时,光斑越大,激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑,小光斑激光辐照时,光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

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.     

连续YAG激光辐照涂层45#钢的温升和升温率研究

 计算了激光辐照涂层金属材料过程中温升和升温率。研究了45^#钢表面状况受激光辐照产生的温度响应。给出了相同激光功率密度辐照下,不同厚度靶的后表面温度场分布以及不同激光光斑尺寸对后靶面的温升,并给出了对应的升温率随辐照时间、靶厚度的变化。     

内表面掺硅聚苯乙烯空心微球初步研究

靶丸内表面掺杂诊断元素可以为内爆压缩界面的研究提供必要的手段。以二甲基二乙氧基硅烷为原料，利用乳液微封装技术和界面聚合技术可以实现单一内表面掺硅的空心聚苯乙烯微球的制备。X光照相和X能谱分析表明:内表面掺硅量比外表面高出2~3个数量级。均匀内表面掺硅层的厚度小于0.3μm，掺杂层厚度越小，均匀性越好。     

强激光辐照下预载柱壳热屈曲失效的数值分析

 采用有限元方法（ANSYS7.0）和简易的热力耦合本构关系,较系统地数值研究了预载柱壳受激光辐照时的热力响应和热屈曲失效行为,分析了几种壳体在不同预载条件下（轴压或内压）的屈曲模态和屈曲特征值,给出了屈曲模态和热屈曲失效与激光强度、辐照时间、预载条件和壳体几何尺度及形状间的定量或定性关系。计算结果表明：（1）屈曲失效行为主要集中在激光辐照区内且以径向屈曲为主。（2）在一定范围内,屈曲特征值与光斑中心点温度近似有线性关系。（3）激光辐照区内高温引起的材料软化和预载径向变形的耦合作用是柱壳发生热屈曲失效的根本原因,有效提高结构刚度,可使屈曲特征值提高。（4）壳体形状的改变对内压柱壳有更为明显的影响,其中圆柱形壳体屈曲特征值最大,因此具有较高的安全性。     

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。     

激光诱导充压柱壳破坏模式与参数阈值分析

通过数值计算模拟了激光诱导充压柱壳的热力破坏效应,研究了典型结构的动态爆裂过程,获得的破坏模式与实验结果基本一致。给出了三类典型破坏模式及其对应的参数范围,探讨了各类破坏模式的形成机理,并分析了不同光斑尺寸、壳体厚度条件下热软化效应对破坏内压阈值的影响,以及预内压与破坏时间的关系。研究结果表明:光斑半径越大、热软化程度越高,柱壳的破坏内压阈值越低,且破坏内压阈值随着壳体厚度的减小呈线性下降;给定激光参数和壳体参数下破坏时间随预充内压增大而减小并呈二次函数关系。给出了一种通过热软化程度预估激光诱导充压柱壳破坏时间的方法。     

纳秒激光烧蚀铝材料的二维数值模拟

为了探索纳秒脉冲强激光与材料的相互作用机理,建立了二维数值模型,利用有限差分法对纳秒激光脉冲烧蚀金属铝的温度场进行了数值模拟.通过对比不同脉宽、光斑和能量下激光引起的温度场随时间的演化,发现脉冲的前期温度升高比后期快.等温图显示中心温度升高最快,烧蚀轮廓与激光束形状相似,烧蚀深度达1—5 μm.脉宽越长,烧蚀越窄和越深,光斑越大,烧蚀越宽和越浅.数值研究表明,1)激光的脉冲形状、脉宽和功率密度直接影响烧蚀的形状和深度,2)激光功率密度在10⁹ W/cm²量级烧蚀     

The interaction and the surface crack of single-crystal silicon induced by a millisecond laser

When the silicon material is irradiated by laser, it absorbs the laser energy leading to the temperature rise and the thermal stress. The damage effect includes melting, vaporation and thermal stress damage. Once the thermal stress exceeds the stress strength the crack will initiate. The silicon surface cracks induced by a millisecond laser are investigated. The experimental results show that three types of cracks are generated including cleavage crack, radial crack and circumferential crack. The cleavage crack is located within the laser spot. The radial crack and circumferential crack are located outside the laser spot. A two-dimensional spatial axisymmetric model of silicon irradiated by a 1064 nm millisecond laser is established. To assess what stresses generate and explain the generation mechanism of the different cracks, the thermal stress fields during laser irradiation and the cooling process are obtained using finite element method. The radial stress and hoop stress within the laser spot are tensile stress after the laser irradiation. The temperature in the center is the highest but the thermal stress in the center is not always highest during the laser irradiation. The cleavage cracks are induced by the tensile stress after the laser irradiation. The radial crack and the circumferential crack are generated during the laser irradiation.     

强激光加热旋转薄柱壳的参量选择分析

为了把激光加热静止圆柱壳的实验测量结果应用到旋转圆柱壳的激光参量估计中,研究了旋转圆柱壳的激光加热效率。用积分变换法得到了旋转圆柱壳的温度分布,分析了最大温升点相对激光峰值强度点的滞后现象。基于静止圆柱壳和薄壳假设,导出了旋转圆柱壳激光加热效率及估计辐照时间的表达式。对于旋转金属圆柱壳,最大温升点相对激光峰值强度点的滞后角和激光加热效率取决于无量纲参量DR(柱壳半径R与束斑半径r0之比)、DL(横向热扩散尺度4ατL与束斑半径r0之比)及DM(加热时间τL与柱壳旋转频率fR的乘积)。达到相同的最大温升时,旋转圆柱壳的激光辐照时间和静止圆柱壳的激光辐照时间之间存在与激光功率无关的非线性关系,而激光功率决定了所需的绝对激光辐照时间。     

激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器的热应力损伤研究

基于碲镉汞红外焦平面探测器的结构与其材料热力学相关特征,描述了激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器造成的损伤机理。根据相关的辐照环境和条件,通过有限元分析法建立了三维仿真模型。基于COMSOL Multiphysics软件仿真了碲镉汞红外探测器受到波长10.6 μm的激光辐照时,探测器各部分的温度变化及应力变化情况;通过数值分析方法,比较了碲镉汞探测器在经过光斑面积相同。功率不同的激光辐照后,其表面径向及内部轴向的温度场变化及应力场变化情况。仿真结果表明:在经过106 W/cm2的连续激光辐照后碲镉汞探测器表面温度与应力快速升高,造成探测器表面损伤,同时探测器被辐照部位的温度变化也导致其内部局部应力值变化。将碲镉汞探测器的应力损伤阈值及变化趋势与文献中相关实验数据进行对比,发现二者结果基本一致,验证了模型的可行性。