切向气流下激光对旋转靶热烧蚀的数值模拟

针对连续激光辐照表面存在切向气流的旋转靶目标,数值求解温度场分布以及热烧蚀效应。首先,综合切向气流、固液相变和目标旋转的影响,给出柱坐标下三维瞬态热传导方程,建立激光对旋转靶目标的热烧蚀模型。其次,分析热烧蚀过程中,物质在固态、固液态和液态之间的转化关系,提出一种改进的“单元生死法”处理旋转烧蚀过程中的边界移动问题,并采用有限容积法数值求解热烧蚀模型。最后,数值模拟温度场分布和热烧蚀效应,分析靶目标旋转速率对温度场分布和热烧蚀效应的影响。分析结果表明:靶目标的旋转,导致最大烧蚀深度不断减小,圆柱面的烧蚀区域逐渐增加,并对温度场分布产生一定影响。     

热解对碳纤维/环氧复合材料激光烧蚀的影响

为研究复合材料的热解问题,设计了氮气流保护条件下的低功率密度辐照实验,获得了不同辐照时间和不同功率密度下碳纤维环氧树脂复合材料层合板的热解规律。实验结果表明:试样质量损失随辐照时间持续呈单调增大趋势,但热烧蚀率却逐渐减小并有稳定趋势;试样质量损失与功率密度呈线性关系;激光功率密度的增加可提高热烧蚀率,但随功率密度的增加,试样热烧蚀率增幅减小并有饱和趋势。     

激光烧蚀玻璃纤维/环氧树脂复合材料的能量耦合率模拟研究

提出了一种计算玻璃纤维/环氧树脂复合材料激光烧蚀过程中能量耦合率的模型,并通过对激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的数值模拟计算了烧蚀过程中的激光透射率及表面温度,与实验结果吻合较好。结果表明,利用该模型可以计算玻璃纤维/环氧树脂复合材料激光烧蚀过程中的能量耦合率。利用该模型进一步计算了不同激光强度下耦合系数的变化规律,计算结果表明,对玻璃纤维/环氧树脂复合材料的激光烧蚀,激光的吸收方式存在体吸收向面吸收转变的过程;激光强度越大,能量耦合率增大到稳定值所需时间越短,体吸收向面吸收转变的过程越快。     

切向气流作用下激光对薄铝板辐照效应的初步研究

采用实验测量与数值模拟相结合的方法研究了切向表面气流环境中激光对薄铝板的辐照效应。实验结果表明:相同速度的氮气流和空气流中,铝板温度曲线相似,说明对于铝这种材料而言,空气流的氧化烧蚀几乎不能进行。无切向气流时,辐照过程中相同时刻铝板的温升及铝板达到的最高温度都高于氮气流和空气流情形。三种环境中,铝板中心位移的变化趋势同温度的变化趋势相同,说明激光加热产生的热应力是铝板形变的主要原因,切向气流不起主导作用。利用有限元分析软件ANSYS数值模拟了铝板温度场及形变的演化过程,分析了激光功率分布和对流换热对结果的影响,数值模拟结果同实验符合地较好。研究结果表明:在较低激光功率密度条件下,切向气流主要通过对流换热对铝板起冷却作用,尤其在激光辐照停止后的降温阶段,其作用更加明显。     

激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学剥蚀研究

根据实验现象,提出了计算力学剥蚀的模型和判据,将剥蚀过程分解为材料分层和层内断裂两个过程:对分层过程利用激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热力学模型计算,对层内断裂过程用板壳模型计算。利用实验结果验证了模型的合理性,计算结果表明,力学剥蚀过程极大地降低了烧蚀穿孔所需的能量,对激光辐照效应影响很大;功率密度较低时,烧蚀效率较高。     

气流环境中碳纤维/环氧树脂复合材料烧蚀羽烟对激光透射率的影响

研究了气流环境下碳纤维/环氧树脂复合材料激光烧蚀羽烟对透射率的影响。由射流理论得到光学路径长度关系式,由碳纤维/环氧树脂复合材料的激光烧蚀模拟得到羽烟密度及速度关系式,进而利用Lambert-Beer定律得到了羽烟透射率的计算模型。利用模型计算了激光辐照过程中的羽烟透射率,并与实验结果进行比较,验证了模型的合理性。进一步计算了外部参数对激光透射率的影响,计算结果表明,激光辐照开始后,热解区域在表面,烟气易于逸出,透射率快速下降到最低值,随后热解区域内移,由于材料渗透率较低,烟气逸出困难,透射率逐渐回升;激光功率密度越大,最小透射率越低,辐照期间的平均透射率越低;气流速度较大时,整个辐照期间的透射率都较高;总功率一定时,光斑半径越大,最小透射率越高,辐照期间的平均透射率越低。     

气流环境中激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

建立了切向气流环境中连续激光烧蚀金属靶的二维轴对称物理模型,利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言APDL编制程序进行数值求解,使用“杀死”单元的方法实现靶目标边界退移的烧蚀和热传导耦合计算,从而对烧蚀尺寸的变化给出了定量描述。计算结果表明,相比于均匀分布,当激光呈高斯分布时,目标靶中心能够得到更高的温升,也就更容易发生烧蚀,靶的熔穿时间也就越短。本文建立的模型可以方便地推广至三维情形。     

碳纤维/环氧树脂层合板的激光烧蚀特性分析

为了研究碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的激光烧蚀温度场、退移速率,应用有限元软件ABAQUS的python语言进行二次开发,建立了辐照面动态变化的有限元烧蚀模型,并选用功率密度分别为1.528 kW/cm2及3.82 kW/cm2的高强度激光器对该复合材料进行了激光辐照试验。定量分析了不同功率激光辐照下,碳纤维/环氧树脂层合板的温度场分布以及辐照界面的退移速率。研究结果表明:有限元烧蚀模型能够有效地模拟层合板的烧蚀,随着激光功率密度变大,辐照面附近温度梯度及烧蚀界面退移速率变大,基体热解区域尺度变小,背壁温度梯度变化相对较小,随着辐照时间的增加,烧蚀界面退移速率趋于恒定。     

波长与功率密度对激光烧蚀制备纳米粒子的影响

用TEA CO2 激光烧蚀方法制备了NiSO4 /Ni (Ac) 2 纳米粒子,其化学成分与靶材原料 十分相似,其中含少量Ni2O3。当采用被靶材物质直接吸收的激光谱线9P (18) 、9R (18)时,纳米粒子的保成分性较好,得到粒径10～20nm、分散性良好的圆形粒子,其功率密度阈值为1. 6×108w / cm2 ,其反应机理主要是共振吸收以及激光支持爆轰波的作用;当采用不被靶材物质直接吸收的激光谱线10P (18)时,得到粒径为20～25nm、分散性良好的方形粒子,其功率密度阈值为1. 9 ×108w / cm2 ,其反应机理主要是自聚焦和内爆轰的作用。当其它条件相同时,功率密度较大则粒子的粒度更细。     

真空及大气下激光对复合材料的烧蚀试验对比

激光与物质相互作用受到环境因素的影响。为了研究真空及大气环境下激光对复合材料的烧蚀模式和烧蚀规律,开展了激光辐照碳纤维复合材料对比试验。在不同辐照能量水平下,研究了两种环境中激光对复合材料的烧蚀特征,获得了复合材料瞬态温度响应数据,并对烧蚀样品进行了显微观测。试验结果表明,环境因素的影响与入射激光能量水平紧密相关。在低辐照能量水平下,复合材料表面烧蚀形貌具有差异,但瞬态热响应非常接近。在较高辐照能量水平下,复合材料烧蚀形貌差异较大:在真空环境下复合材料的环氧树脂发生热解和挥发,碳纤维束发生脱层;在大气环境下复合材料的环氧树脂发生明显的氧化反应,碳纤维束轻微脱层。最后,结合样品显微观测结果,分析了真空及大气环境下激光对复合材料烧蚀模式差异的原因,为建立激光烧蚀理论模型提供了参考。     

亚声速切向气流对激光辐照TA15钛合金热响应的影响

利用亚声速气流环境模拟系统, 开展了自然对流及马赫数为0.4和0.8切向气流条件下, 1 064 nm连续激光辐照TA15钛合金材料热响应实验研究, 得到了材料的温度历史曲线数据。通过分析实验结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化时, 切向气流对材料激光辐照过程中以冷却效应为主, 随着气流速度的增加, 冷却效果明显。同时切向气流影响着材料的温度分布, 沿气流流动方向, 气流对下游区域的冷却效果低于上游区域。     

激光切割石英的切向裂纹研究

激光切割熔融石英材料出现裂纹的主要原因是相当大的温度梯度所产生的过大热弹性应力。本文对惯性导航用加速度计的关键部件——石英摆片激光切割过程中的切向裂纹问题进行了定量的研究，通过对切向裂纹产生的位置、切口处温度场和应力场的计算分析，给出了切向产生裂纹的评价准则，这对激光加工过程中切向裂纹控制具有极其重要的意义。     

热分解气体对流传输对树脂基复合材料温度场的影响

用有限差分法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的一维温度场模型进行数值求解,将数值模拟结果与相关文献中给出的实验结果进行对比.结果表明:考虑了对流传输效应的数值模拟结果比没有考虑对流传输效应的数值模拟结果与实验结果符合的更好,即热分解气体的对流传输对树脂基复合材料的温度场有较大的影响.因此,在不引入力学量的前提下,建立激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型时,需要考虑热分解气体的对流传输效应.     

Nd∶YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd∶YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象。发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象。     

Nd:YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd:YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象.发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象.     

基于MSPH方法模拟激光对树脂基复合材料的辐照效应

树脂基复合材料在激光辐照下通常会发生复杂的物理化学变化,可能涉及材料热分解、烧蚀、汽化和比较复杂的界面问题。鉴于无网格粒子法在处理大变形、网格畸变和材料烧蚀等问题时有优势,利用改进的光滑粒子方法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型进行数值求解。将数值模拟结果与实验结果进行对比,考察了改进的光滑粒子方法对所考虑问题的适用性。结果表明:改进的光滑粒子方法适合于模拟激光对树脂基复合材料的辐照效应,在激光与物质相互作用领域,该方法也是值得关注的一种数值方法。     

激光辐照树脂基复合材料的一维温度场模拟

为了解决激光辐照树脂基复合材料时热解热和移动热解面给温度场求解带来的难题,通过修正处理相变问题的热焓法,建立了连续激光辐照树脂基复合材料的一维温度场模型,简化了求解过程。在此基础上采用“历史最高温度点追踪法”对热焓法模型进行了进一步修正,使之能够解决脉冲激光辐照复合材料时温度双向变化与热解过程不可逆之间的矛盾,从而对脉冲激光辐照的情况也能适用。用有限差分方法进行离散后,编写了FORTRAN程序求得数值解。计算结果与实验结果基本相符,最后模型分析了脉冲激光参量对树脂基复合材料温升的影响。     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应

对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。首先,在飞秒激光与硅相互作用的双温模型中引入能带电子激发、双光子吸收,俄歇复合等一系列非线性项,通过每一个光场半周期中的麦克斯韦电磁场公式,得出材料中不同时间的光场强度,作为描述材料对光强的响应物质方程的输入项。通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数,如电子浓度、晶格温度等。在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下,激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。