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。     

激光辐照下充压柱壳的破坏能量阈值数值模拟

采用有限元方法模拟了激光辐照下充压柱壳的热力学响应,计算了不同工况下结构的瞬态温度场和应力场,根据材料强度准则判断了柱壳的破坏时刻,并提出了一种预测激光辐照下充压柱壳破坏能量阈值的数值方法。研究了壳体厚度和内压大小对柱壳破坏能量阈值的影响,并给出了典型工况下柱壳破坏能量阈值同壳体厚度以及充压大小的关系。数值计算结果表明:破坏能量密度阈值与壳体厚度、内压大小近似成线性关系,壳体厚度比内压大小对柱壳的激光破坏能量阈值影响更大。     

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。     

激光辐照下充压柱壳结构变形的数值模拟

 激光辐照下充压柱壳局部受热，最终导致充压柱壳上激光加载区发生鼓包和爆裂现象。作者用有限元方法数值模拟了激光辐照下柱壳的变形，计算出的应力、应变场显示光斑中心处是最有可能发生爆裂的地方，结论与实验结果相符。同时，根据计算结果，对激光加载初期发生鼓包现象的原因作了分析。     

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。     

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。     

激光辐照下充压铝柱壳爆裂断口分析

 分析了激光辐照下充压铝柱壳的断口特性, 在激光辐照区上裂纹的起裂、扩展和止裂机制均为韧性的, 断口以韧窝分布为主, 由于加载不同, 有的断口在壳壁厚度方向有明显的分层, 即外层的塑性变形层和内层的韧窝状断口。给出了柱壳上激光辐照区的应力分布与断裂的关系和整个断裂过程较为细微完整的物理图象。     

激光束照射下轴压圆柱薄壳热屈曲数值分析

 针对激光束照射下承受轴压作用的圆柱薄壳,实现了材料参数(弹性模量E，泊桑比μ、线膨胀系数α)随温度变化情况下热屈曲破坏有限元数值分析。数值计算结果表明,激光照射区域产生的热应力和材料软化将导致处于正常工作状态的轴压圆柱壳发生灾难性的热屈曲破坏。     

强激光辐照下柱壳温度场的数值模拟

 用有限元方法数值模拟强激光辐照下柱壳上温度场的变化和分布情况，并对热性能参数随温度变化对温度场造成的影响进行了研究。     

局部激光辐照下薄板结构的屈曲承载力分析北大核心CSCD

薄壁结构广泛应用于实际工程中,局部材料性能的变化、局部热应力等因素均影响结构的屈曲承载力。为考察局部升温对薄壁结构屈曲承载力的影响,通过激光辐照实现薄壁结构的局部快速升温。采用温度-位移耦合法进行非线性热屈曲分析,获得了激光功率密度、辐照光斑半径和薄板厚度对薄板热屈曲的影响;在此基础上采用弧长法分析轴向受压薄板结构在局部激光辐照下的整体屈曲承载力。数值结果表明:薄板结构的整体屈曲承载力随激光辐照时间的增加及辐照光斑半径的增大呈线性下降趋势,随薄板厚度的增加近似呈指数增大。     

带缺口加强圈的圆柱壳屈曲特性分析

以低温液体罐车外筒体为原型,采用有限元方法研究了带缺口加强圈的圆柱壳的屈曲特性。着重考察了加强圈缺口间的夹角、加强圈之间的间距、边界条件对此类结构屈曲载荷的影响。计算结果表明:圆柱壳的屈曲载荷与加强圈缺口间夹角不是简单的线性关系,当加强圈缺口间夹角增大到一定程度后,圆柱壳的屈曲载荷几乎不再变化;加强圈布置的均匀度不但会影响到圆柱壳的屈曲载荷,同时也对其屈曲模态产生影响;在不同的边界条件下,圆柱壳也表现出不同的屈曲特性。     

局部激光辐照下薄板结构的屈曲承载力分析

薄壁结构广泛应用于实际工程中,局部材料性能的变化、局部热应力等因素均影响结构的屈曲承载力。为考察局部升温对薄壁结构屈曲承载力的影响,通过激光辐照实现薄壁结构的局部快速升温。采用温度-位移耦合法进行非线性热屈曲分析,获得了激光功率密度、辐照光斑半径和薄板厚度对薄板热屈曲的影响;在此基础上采用弧长法分析轴向受压薄板结构在局部激光辐照下的整体屈曲承载力。数值结果表明:薄板结构的整体屈曲承载力随激光辐照时间的增加及辐照光斑半径的增大呈线性下降趋势,随薄板厚度的增加近似呈指数增大。     

激光辐照下旋转柱壳温度场的数值模拟

 采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况,并分析了热性能参数对温度场造成的影响,同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响。结果表明,激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升, 外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性,当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升。     

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。     

激光辐照下转动柱壳平均温度与破坏时间的工程估算

 推导了激光辐照下转动壳体平均温度沿壳体母线方向分布的解析公式。由于对高斯功率密度分布光束无法得到工程上实用的结果,对公式进行了解析拟合,仅由一个具有实际物理意义的拟合系数——分布因子确定了解析拟合公式的形式,明确了温度估算公式中各项的物理意义。解析拟合公式计算结果与数值模拟结果较为一致。作为温升估算方法的一个应用实例,推导了转动充压柱壳在激光辐照下破坏时间的解析公式,与数值计算结果吻合得较好。     

模拟X射线作用于圆锥壳载荷的柔爆索加载技术

在软X射线辐照作用下，物体表层瞬时形成大量的能量沉积，使材料受照部分表层发生熔化、汽化，出现物质的反冲喷射现象，产生喷射冲量载荷，使结构发生动态弹塑性变形、动屈曲等，实验室模拟X射线作用下的结构响应是重要的研究方法。在文中小尺寸、圆柱壳柔爆索加载技术的基础上，研究解决了圆锥壳体的柔爆索加载三维载荷设计方法、模拟自由边界的柔爆索加载实施方法、爆炸粒子的有效防护方法、爆炸粒子线动量标定方法和大尺寸锥壳结构的加载等效性等关键技术，发展建立了模拟X射线作用载荷的柔爆索加载三维设计与实验方法。     

多脉冲激光对胶合透镜热破坏效应研究

具有一定强度的激光辐照胶合透镜时可造成透镜的破坏.建立了多脉冲激光与材料相互作用的一维非稳态温度场模型，计算了瞬态温度场分布，并对胶合透镜前表面的熔融和胶合材料的软化进行了数值模拟研究.利用频率为10Hz，脉冲宽度为200ns，峰值功率为20MW的CO₂激光对胶合透镜进行辐照实验研究.实验表明，当激光辐照时间为12s时，胶合透镜前表面发生熔融破坏；当照射时间为30s时，胶合材料发生软化并出现彩色斑纹，透镜完全破坏，理论分析与实验结果相符. 关键词： 胶合透镜 激光辐照 激光破坏     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

 通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

脉冲激光对类金刚石（DLC）薄膜的热冲击效应研究

强激光辐照红外热像系统时，可造成系统的干扰和破坏，激光的波长不同，对系统的破坏效果也不同.为了保护红外系统窗口以及提高窗口的透过率，红外窗口广泛沉淀类金刚石（DLC）薄膜.当入射的激光波长位于红外系统响应波段外时，激光对系统的破坏首先是激光对DLC薄膜的破坏.以波长为1.06μm的激光为例，研究了脉冲激光对DLC薄膜的损伤机理，建立了DLC薄膜的热冲击效应模型，并通过求解热传导和应力平衡方程，得出了薄膜的温度场和应力场分布.理论分析表明，热应力破坏在脉冲强激光对DLC膜的损伤机理中占主导地位.当 辐照能量密度为E₀=100mJ·cm^-2时，在薄膜表面距光斑中心约 40μm区域内的压应 力明显超出其断裂强度，将造成膜层的剥离、脱落.理论分析与实验结果基本相符，表明建 立热冲击效应模型的正确性. 关键词： 激光辐照 类金刚石（DLC）薄膜 热冲击效应