激光切割脆性材料的温度场模拟

激光切割脆性材料是一个复杂的光致热过程。在综合考虑材料的热物性参数、初始条件及边界条件的情况下,运用Ansys软件建立了激光切割脆性材料温度场的三维有限元模型。采用APDL语言实现了对热流密度的高斯分布和强制对流换热及移动激光热源的模拟。通过设置不同的激光切割参数,对温度场的变化进行了模拟分析。所建立的温度场模拟系统可以对实际激光切割脆性材料的热过程进行前期预测,并能对激光切割参数的选择进行一定的优化,以减少实际切割的盲目性。     

动载下准脆性材料的泛形裂纹研究

为建立动态拉伸载荷作用下准脆性材料裂纹扩展路径的泛形表征,提出了一种非均匀准脆性材料动态裂纹扩展的泛形模型,计算得到的泛形裂面复杂度与已有实验数据吻合较好。结果表明:动态拉伸载荷作用下的裂纹扩展路径是泛形的,其复杂度随加载应变率的增大而减小,并与材料动态拉伸承载能力的空间随机分布无关,且随Weibull分布形状参数m的增加而减小。研究结果为分析动态拉伸载荷作用下准脆性材料的裂纹扩展机理即泛形表征提供了依据。     

某特殊脆性材料切削加工的数值模拟

切削加工是制造业中的关键技术之一。与一般金属塑性成形不同的是，切削加工是一个使被加工材料不断产生分离的过程。目前，有限元模拟切削过程主要分为两种形式：即更新的Lagrange形式和Euler形式。在实际模拟过程中，前者使用更为广泛。这种方式的有限元模拟需要有一定的分离准则使切屑从工件上产生分离。另外，在加工过程中，有的切屑可产生连续塑性变形，而有的切屑则会产生锯齿状断裂。所以还应该有相应的断裂准则来模拟切屑的断裂。     

基于ANSYS的硬脆性材料脉冲激光打标温度场数值模拟

随着激光加工技术的发展,硬脆性材料的激光加工成为国内外研究的热点。建立了硬脆性材料3D有限元模型,采用扫掠法对模型进行了网格划分,选择高斯分布的激光光源为热源模型,实现了硬质合金和碳化硅脉冲激光打标过程的数值模拟,得到了这两种材料的温度场分布。     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。 (1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2. Chengdu Fine Optical Engineering Research Center, Chengdu 610041, China)     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。     

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法——"格子模型"得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

激光烧蚀固体碳氢材料的离子组分分离研究

本文从双离子组分等离子体的Landau-Fokker-Planck方程出发,通过Chapman-Enskog方法约化得到离子输运方程,求得双离子组分等离子体的离子输运系数,给出了计及离子扩散的完备离子流体方程;再结合一维辐射流体力学程序Multi-1D模拟得到的烧蚀层的宏观状态,研究了激光烧蚀固体碳氢材料时的组分分离现象.计算结果显示,离子组分分离对等离子体流体演化的影响小,基本可以忽略;但对于敏感依赖于离子组分的其他物理过程,如汤姆孙散射,离子组分分离的影响显著,这意味着研究激光等离子体相互作用时,离子组分分离必须予以考虑.     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

无序性对脆性材料冲击破碎的影响

脆性材料受冲击荷载作用产生损伤开裂是一个连续介质离散化的过程.采用连续离散耦合方法模拟了一个脆性圆球以不同初始速度与刚性板的冲击,重点研究了无序性对脆性材料冲击破碎的影响,并对其内在机理进行了分析.本文不考虑材料细观结构的无序性,材料的无序仅体现在细观断裂参数的非均质性.数值实验同样揭示了脆性材料在冲击破坏中存在两种破坏模式,即低速时接触区域的局部损伤和高速时的整体碎裂.研究表明,材料无序性对临界冲击速度、破碎模式、碎片形态影响显著.随着无序度增加,材料的临界速度增大,损伤开裂由少量贯穿性裂纹主导转变为全域性的分叉裂纹.高无序度圆球冲击产生的碎片表面更粗糙,体型更为扁平细长.这与细观断裂的主导机制有关,无序度较高时剪切导致开裂的比重更大,碎片内部损伤裂纹面更多.     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

用光偏转法研究气体中激光等离子体羽的特性

采用光偏转法研究气体中准分子激光与石墨和铜相互作用产生等离子体羽的特性。用空间和时间分辨的光偏转信号分析了等离子体羽的漂移速度和膨胀速度，并从光偏转信号中测得了物质波前面的激波速度。     

空间碎片典型材料激光烧蚀反喷羽流实验研究

建立了观测和记录不同激光入射角度烧蚀6061铝合金靶材等离子体反喷羽流特性的实验装置,对实验结果图像进行了处理,并对处理结果进行了数值拟合。拟合结果表明,激光辐照靶材后100 ns内,等离子体反喷羽流大致分布区域为靶面外5 mm5 mm。激光以不同角度入射时,等离子体反喷速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布。当激光相对靶面法线方向小角度范围内入射时,激光烧蚀引起的冲量主要沿靶面法线方向,反喷羽流沿靶面法方向的速度为20~40 kms-1。激光斜入射时,反喷羽流沿靶面法线方向的速度要大于激光垂直入射的情况。高斯函数可以很好地描述等离子体反喷羽流速度分布。     

脆性光学材料的超声磨削实验研究

分别采用超声磨削和普通磨削加工方法加工了几种脆性光学材料,研究了几种主要工艺参数对工件加工表面粗糙度的影响。结果表明,超声频率和振幅、金刚石磨料粒度、切深、工具的横向进给速度和旋转速度等工艺参数对表面粗糙度的影响较大。通过比较发现,超声磨削方法比普通磨削方法具有更好的加工表面粗糙度,更高的材料去除率,以及更低的工具磨损量。