芳纶纤维复合材料在脉冲激光作用下的热损伤研究

应用有限元软件建立三维脉冲激光辐照芳纶纤维复合材料的物理模型,获得了芳纶纤维复合材料的温度场分布及其变化规律。结果显示,随着激光功率密度的增大,芳纶纤维复合材料的温度逐渐升高;不同激光功率密度作用下的芳纶纤维复合材料的温度在光斑中心处最大并随着各位置到中心距离的增大而减小。为验证数值分析模型并更好的研究芳纶纤维复合材料的热损伤规律,试验过程中选用不同功率密度的纳秒脉冲激光辐照芳纶纤维复合材料。研究结果表明,数值模拟温度与实验温度吻合较好,最大相对误差为12.49%;随着激光功率密度的增大,芳纶纤维复合材料的焦化碳化面积逐渐增大,熔融深度随之加深。     

激光辐照下旋转充压柱壳失效的数值模拟

建立了激光辐照下充压旋转柱壳热力学响应的物理模型和数值计算模型,求解了激光产生的非线性温度场。在此基础上,考虑塑性和屈服强度的温度相关性,求解了非线性的应力场,分析了柱壳裂纹萌生的可能位置和条件。通过计算发现,旋转充压柱壳在过光斑中心外表面圆周上有最大应力值这说明在过光斑中心的外表面环带区域将有可能最先发生破坏。激光辐照薄壁柱壳时有较高的温升其更容易发生破坏;旋转柱壳在过光斑中心圆周上应力分布随旋转频率增加而趋于均匀这是因为旋转频率增加激光辐照的环带区域温度分布更加均匀;在激光总能量相同条件下,小光斑辐照时易产生裂纹。     

激光划痕法膜基界面的温度场及应力场分析

为了对膜基系统的温度分布和应力分布进行模拟研究,采用ANSYS有限元分析软件,对高斯移动激光加载条件下TiN薄膜的温度场和由温度场产生的应力场进行了稳态分析。研究结果表明,温度场随激光光源的移动而移动,温度场中温度最大点在激光光斑中心处,且激光光源移动方向后方的温度场有较大的迟滞现象。在膜基系统中产生的应力场主要集中在薄膜内部。温度场和应力场的研究对探讨膜基系统失效进程具有重要意义。     

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

碳纤维复合材料激光切割温度场研究

为了探索激光切割工艺参数对碳纤维复合材料温度场的影响,采用有限元模拟分析和试验验证的方法,综合考虑辅助气体冷却和热辐射作用,定性模拟分析了激光功率、扫描速度和激光光斑半径对碳纤维复合材料厚度方向和垂直于激光扫描方向的温度场影响规律.结果表明:激光切割工艺参数对试件厚度和垂直切割方向的热影响具有一致性;吸收能量较多时造成...     

热容模式下片状激光介质瞬态温度及热应力分析

为了研究激光介质热畸变对固体热容激光器的影响,数值计算了高功率激光二极管阵列抽运片状激光介质的瞬态温度场和热应力分布。结果表明,在相同的抽运功率密度下,激光介质中的温度分布和热应力分布不仅与激光介质几何构型及抽运光空间分布有关,还与抽运光斑在介质表面的填充因子密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。     

7075铝合金激光多点冲击诱导残余应力的数值模拟

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面改性技术。在实际应用中,由于激光光斑直径通常在20 mm以下,工件表面大范围的激光冲击强化需要采用多个光斑搭接。运用实验和数值模拟的方法,探讨了光斑在不同中心距下诱导的残余应力场的分布规律,研究了不同搭接率对残余应力分布的影响,以及两种不同加载顺序下表面残余应力的分布特性。结果表明:相邻光斑中心距对两光斑之间区域的残余应力有重要影响,随着两光斑中心距的减小,相邻光斑之间区域的应力场由残余拉应力转变为残余压应力;搭接率越大,获得的残余压应力幅值越大,残余应力分布越均匀;从中间到两侧的多点冲击方式能获得较大、较均匀的残余压应力。     

金属管材中周向激光热应力场的有限元分析

在激光超声的研究中,基于得到的温度场分布,把温度场作为新的加载,用有限元结构分析法数值模拟了金属圆管中脉冲激光线源产生的热应力场情况,得到了铝管中周向不同时刻的瞬态应力场,分别给出了在激光作用过程中温度上升阶段和温度下降阶段的周向正应力的等值图分布情况.数值结果表明:周向拉应力最大值处在激光作用区域边缘处,压应力在材料表面激光作用区域中心最大.     

激光点热源作用下动态微变形的数值模拟与校验

采用MSC．Marc非线性有限元软件，对试件在激光点热源作用下动态微变形过程进行了数值模拟。通过激光反射放大系统测量了试件在激光点热源作用下的动态微变形过程。模拟值与实测值的结果表明：热应力和相变应力的共同作用使得试件产生微变形，最终试件的变形方向取决于热应变和相变共同作用的结果，朝向激光束或背向激光束。比较实验值和模拟值，发现变形的最大值相近，变形过程却略有不同。考虑到激光点热源作用下有限厚度的试件内，温度场分布出现的反常效应，即内部的温度大于边界温度，提出采用波动理论修正经典的热传导计算模型，可望有效地提高模拟过程的计算精度。结论为进一步研究薄板激光弯曲的变形机理及变形过程奠定了基础。     

层合板激光往复扫描弯曲中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素,因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件,建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布,结合自由端的变形,分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明:随着往复扫描次数的增加,温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡,中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后,激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用,使翘曲变形增大,1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm,但随着扫描次数增加,促进作用减弱,弦高增长量略降低,最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果,温度场最大误差为9.85%,翘曲线Z向位移最大误差为4.33%,其中,弦高误差为2.16%,为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。     

Fe-Ni恒弹合金激光冲击力学性能异化现象研究

为了研究激光冲击金属材料后,光斑中心区域材料力学性能异化现象,采用钕玻璃脉冲激光器产生的高能脉冲激光冲击强化型Fe-Ni恒弹合金(Ni42CrTiAl)材料。冲击后采用X射线应力仪对恒弹合金试样冲击区域表面进行了X射线衍射分析,测试了冲击区域残余应力分布情况。结果表明,在试样冲击区域产生了很高的残余压应力,且在光斑中心区域,残余应力值要略小于中心周围区域,出现了力学性能反弹现象。采用有限元模拟软件对冲击试验进行有限元模拟,进一步研究冲击诱导的残余应力分布情况;得到冲击区域有很高的残余压应力分布,且光斑中心区域的残余应力值小于其周围区域,模拟结果与测量结果一致。从冲击波运动、反射与逆向作用角度,探索了冲击区域中心出现的材料力学性能反弹现象的形成机理。这一结果对优化激光冲击强化过程和激光参量的选择是有帮助的。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律.测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合.结果表明,靶...     

工件形状对激光相变硬化温度场和应力场的影响

利用Sysweld有限元软件建立三维有限元模型,采用三维高斯热源,考虑材料热物性能随温度的变化,对平板和回转体内壁进行了激光相变硬化数值模拟。分析了温度场、残余应力以及马氏体分布的异同,研究了工件形状对激光相变硬化温度场和残余应力的影响规律。结果表明,在表层方向上,平板模型和回转体内壁模型的热循环相似;截面方向上,内壁模型峰值温度高于平板模型。处理后相变区组织均主要以马氏体为主,其体积分数约为90%。相变区边缘及热影响区产生残余拉应力,相变区存在残余压应力;与内壁模型相比,平板模型相变区中心残余压应力数值较大。     

激光切割碳纤维复合材料的温度场仿真

为了揭示激光切割碳纤维复合材料过程中温度场的分布规律、材料对能量的吸收和传递规律以及热影响区的形成机制,采用碳纤维复合材料为研究对象,建立激光切割碳纤维复合材料的多物理场模型,计算仿真了激光切割碳纤维复合材料过程中温度场分布及激光参量对碳纤维复合材料温度和热影响区影响规律,得到了激光切割碳纤维复合材料过程中的3维温度场分布。结果表明,激光切割过程中,碳纤维复合材料表面温度场近似为椭圆形,且碳纤维复合材料中能量的传递和扩散主要沿着碳纤维铺设方向;激光功率20W、光斑半径100μm、切割速率50mm/s的激光沿垂直于碳纤维铺设方向切割时,激光光斑作用处碳纤维温度远低于树脂层温度;随着切割光斑半径和激光功率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐增加,热影响区逐渐增大;随着切割速率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐减小,热影响区逐渐变小。该研究为了解激光切割碳纤维复合材料过程中的热损伤机理及材料高质高效的加工提供了一定的理论指导。     

基于激光冲击波三维无损打标的数值模拟

为了研究激光冲击波打标后标记区域的残余应力分布与材料变形情况,基于ANSYS/LS-DYNA建立了激光冲击波打标的三维有限元模型,通过激光诱导的冲击波加载,进行了打标的数值模拟.模拟结果表明,激光冲击波作用后的标记区域网格形成了与载荷直径相仿的凹坑,其残余应力均表现为压应力,并随着形变量的逐渐增加,在标记中心残余压应力达到最大值;材料厚度方向的残余压应力随着材料厚度的增加而不断减小,在1mm～1.4mm深度范围内载荷的作用效果不明显.这一结果可用于指导激光冲击波三维无损打标残余应力场的理论分析及其实验研究.     

熔石英玻璃激光损伤的三维应力场研究

为了研究CO₂激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO₂激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO₂激光修复工艺的改进提供了理论依据。     

辊面激光强化过程的瞬态应力分析

轧辊表面在激光扫描过程中经历剧烈的热循环,由温度场的集中效应造成辊面应力呈现动态变化的趋势,扫描瞬时的光斑内部应力场以压应力为主。由于组织比容的变化,辊面处理后的残余应力分布更加复杂,采用实验手段测量应力分布状况的难度较大,因此,利用数值分析方法是合理的选择。     

基于压电陶瓷的等变厚度悬臂梁特性研究

以等、变厚度悬臂梁为研究对象,以单轴向玻璃纤维为基体材料结合压电陶瓷片设计出智能悬臂梁模型。利用数值模拟与实验相结合的方法分析了压电陶瓷片对悬臂梁模态频率、自由端最大位移及应变分布的影响。结果表明,未加电压情况下,增加压电陶瓷铺设数目能有效增大悬臂梁固有频率,减小自由端最大位移,但对应变分布无显著影响;施加电压时,可进一步减小悬臂梁自由端最大位移,亦可减小各监测点应变值。