激光辐照诱导的热与力学效应

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流–热–固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展。     

激光冲击强化过程中蒸气等离子体压力计算的耦合模型

首先基于系统能量守恒条件,提出了一种计算蒸气等离子体压力的一维耦合计算模型。模型中不仅考虑了蒸气等离子体界面压力与质点速度的非线性效应,同时也考虑了界面烧蚀所致的运动速度,将蒸气等离子体的膨胀与约束介质的变形耦合。在耦合模型的基础上,采用显式差分计算程序与显式有限元计算程序LS-DYNA互相迭代求解的方法,对不同激光功率密度分布下的蒸气等离子体压力进行了计算。结果表明,计算结果与实验测量结果具有很好的一致性,证明了计算模型的合理性。     

A DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL OF ROCK WITH CONSIDERATION OF RESIDUAL STRENGTH

基于岩石微元强度服从Weibull分布规律,引入损伤变量修正因子,建立了考虑残余强度影响的岩石损伤本构模型.运用多元函数求极值的方法,推导了含修正系数的模型参数\(m\)和\(F_{0}\)的理论表达式;对模型修正因子的选取进行了讨论分析. 结果表明：本文修正模型的实质是增加了一个含有修正系数的线性项;修正系数 \(\delta \)主要反映岩石的残余强度特征,选取合适的 \(\delta \) 值可以提高修正后本构模型的准确性.     

Mechanical behaviors and constitutive models of polycarbonate amorphous polymers

聚碳酸酯是一类玻璃态非晶聚合物材料,由于其出色的耐热和抗冲击能力,被广泛地应用于国防军事和工业领域.针对主要应用于聚碳酸酯材料类非晶聚合物,首先回顾了其力学性能实验研究现状,从唯象的角度分析实验结果,揭示这类材料力学性能.其次介绍了这类材料的各种本构模型的发展历程、物理机制、力学特性、适用范围等.最后,概述了各类本构模型在聚碳酸酯类聚合物材料中的应用,从工程应用的角度进一步讨论了本构模型对材料力学行为的表征,同时给出了聚碳酸酯类材料在实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟

采用大尺度分子动力学方法对飞秒激光辐照金属铝材料的效应进行了数值模拟。利用分子动力学方法给出了飞秒激光辐照后,材料表面发生熔化和喷溅,冷凝后形成一层很薄的多孔介质的物理图像,及产生的应力波传播过程等。数值模拟结果表明分子动力学方法可以用于飞秒激光对材料辐照效应的研究。     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

多次激光冲击导致的Ti17合金层裂

为研究激光冲击Ti17合金中厚样品的层裂特性和层裂阈值,对样品（厚5 mm）表面进行单点连续1~8次激光冲击,激光工艺参数为：频率1 Hz,脉宽15 ns,激光能量30 J,方形光斑4 mm×4 mm。采用白光干涉仪、超声波无损检测技术和扫描电镜,分析和检测中厚样品冲击区域的表面形貌、内部损伤以及层裂形貌。实验结果表明,连续从4次到5次激光冲击中厚样品的表面凹坑深度增加值最大为64.5%。连续5次激光冲击为中厚样品层裂阈值,层裂面积随冲击次数增加而增加。连续5~8次激光冲击中厚样品层裂厚度的实验值为280~310 μm。层裂机理为韧性微孔洞的形核、增长和汇合,形成晶界失效和晶内失效。研究结果可为激光冲击强化整体叶盘改性提供工艺参考。

     

Studies on the dynamic buckling of circular plate irradiated by laser beam

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｙｎａｍｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｉｌｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ,ｗｈｉｃｈｉｓｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｓｔｒｏｎｇｌａｓｅｒｂｅａｍ .Ｂｕｃｋｌｉｎｇｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｅｎｄｕｒｉｎｇｌｏａｄｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｃａｕｓｅｓｏｍｅｏｔｈｅｒｆａｉｌｕｒｅｓ.Ｉｎｔｈｅｓｏ＿ｃａｌｌｅｄ“ｒｅｖｅｒｓｅｐｌｕｇｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔ” …     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序,分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果,与前人的计算及实测结果相符合,规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量,并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

双网络水凝胶损伤本构模型研究进展

新型高分子生物材料——双网络水凝胶不仅保持了传统水凝胶优良的物理性质,而且具有超高的刚度、强度和韧性等优异的力学性能,具有广阔的应用前景。它们在大变形下表现出应力软化、颈缩、应变硬化、损伤各向异性和损伤交叉效应等复杂的非线性力学行为。研究双网络水凝胶的损伤力学十分必要。本文聚焦共价交联型双网络水凝胶,描述了它们在实验中观察到的力学行为以及相应的微观损伤机理,介绍了现有的损伤本构模型,并概括了这些模型的优点与不足,最后对双网络水凝胶的损伤力学研究进行了简明扼要的展望。     

气相和微颗粒污染物在城市环境中的传输扩散

城市大气边界层中污染物传输扩散, 包括气相和微颗粒(PM), 是一个日益关注的问题. 本文结合笔者及合著者近些年来的工作, 试图综述在这方面研究的最新进展. 主要包括: 天气尺度(meso-scale) 和街道尺度耦合的大涡模拟, 温度稳定性层结效应, 高层建筑的影响, 在极端天气下的污染物浓度极值的预报, 化学反应和湍流的耦合计算和气溶胶动力学过程. 本文侧重于介绍英国和欧洲的数值模型研究的进展情况.      

爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟

采用数值模拟方法,分析了人体胸部在自由空间爆炸场中受冲击波作用的力学过程。利用Mimics软件对CT图像进行处理,建立人体胸部三维模型。根据人体胸部各生物组织的特性,选择合理的材料模型和参数,并利用LS-DYNA有限元程序中流固耦合方法,计算分析冲击波作用于人体胸部肺的受力过程。通过计算获得冲击波入射超压峰值和正压持续时间,参照Bowen损伤曲线评估出肺处于Dc 与D1损伤状态之间。观察肺部应力变化过程,获得肺部表面的正应力变化规律和损伤最严重的区域。分析剪切应力变化规律,了解肺受切应力作用损伤的可能性。     

NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形行为宏微观实验和理论研究进展

论文对NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形行为研究的最新进展进行综述和评价.首先总结NiTi形状记忆合金在循环加载条件下的单轴、非比例多轴循环变形特性以及强烈的热-力耦合特性,阐述NiTi形状记忆合金在循环变形过程中出现功能性劣化的微观机理;然后,讨论在宏观和细观尺度上建立的三类NiTi形状记忆合金典型的循环本构模型,并评述代表性模型的预测能力;最后,总结已有研究存在的不足,对相关问题的进一步研究提出建议.在本构模型方面主要介绍了作者及其合作者在基于晶体塑性的热-力耦合循环本构模型方面的工作,突出了多种非弹性变形机制和强烈热-力耦合行为对形状记忆合金循环变形行为的影响.     

Investigation of possibility of flow field diagnostics by laser induced biacetyl phosphorescence

Experimental results of laser induced phosphorescence of biacetyl triplet³A _u in a mixture of biacetyl and N₂ show that: the lifetime of phosphorescence is a function of temperature and independent of density and concentration; the initial phosphorescence intensity is a linear function of density and insensitive to the variation of temperature. The temperature and density distribution of gas flow could be measured by observing the phosphorescence lifetime and initial intensity of biacetyl mixed with N₂ respectively. The velocity distribution could be measured by observing the time-of-flight of the gaseous phosphorescent spot under pulsed laser excitation. Compared with Doppler anemometer, it, to a great extent, avoids the particle lag problem in flow field with large velocity gradient. The phosphorescence decay mechanism is also analysed and the analytical results agree with experimental ones. The project supported by National Natural Science Foundation of China and The Third World Academy.     

固体材料高功率激光斜波压缩研究进展

利用高功率激光诱导的应力波对固体材料进行高应变率斜波压缩,是近年来快速发展的新型动高压实验技术。与传统加载手段不同,它可以在数ns时间内以极高的应变率(106~109 s-1)将薄样品平滑加载到数千万大气压,并仍然保持其固体状态。结合多种先进的诊断技术,可以测得样品材料的热力学、动力学参数和原位微观结构特性,是研究动高压物理、物态方程和高应变率动力学问题的先进途径。本文梳理了这种技术的发展历程,对其加载和诊断技术以及已取得的主要结果进行综述,并展望了其发展前景。     

爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明：在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。

     

激光陀螺组合体测量船体角形变中观测耦合效应的补偿（英文）

船体角形变是传递对准中的主要误差源,需要依靠测量仪器精确标定。根据姿态匹配方法使用两套激光陀螺组合体可以计算角形变。但是动态形变和船体运动角速度的交叉相关的观测耦合效应导致角形变的最优估计结果不准确,并且通过姿态匹配方法这种观测耦合效应是不能被准确测量的,需要结合其它角形变的测量信息进行计算。基于角速度匹配方法,研究了观测耦合效应,并得出其导致角形变估计的偏置误差,且受船体运动角速度调制的结论。通过补偿激光陀螺组合体测量的角速度,降低了观测耦合效应,得到了高精度的对准结果。仿真结果表明观测耦合效应主要导致了静态形变估计精度的不准确。     

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。