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。     

玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减的数值模拟

当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时,产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象,开展了数值建模研究,将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料的激光耦合特性和表面温度测试,对建立的玻璃钢层合板激光辐照温度场计算模型进行了验证;通过材料体温度分布的时间演进分析,提取了网格单元温度超过阈值温度的持续时间加权和S_{t, Tc}、网格单元温度超过阈值温度的持续时间与温度乘积的加权和S_{Tt, Tc}两个模型表征量,采用单个实验数据标定系数、整体数据点匹配分析方法,对微波传输衰减实验与数值模拟结果进行了分析。分析结果表明,S_{t, Tc}比S_{Tt, Tc}更适于表征玻璃钢烧蚀碳化致微波传输衰减效应,温度阈值为873 ℃时计算结果与实验结果最匹配,其R2为0.9956。这说明,通过计算激光辐照玻璃钢温度响应并提取微波传输衰减效应表征量S_{t, Tc},可实现对玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减效应的模拟和预测。     

高功率连续激光辐照CFRP层合板热力破坏效应多尺度分析模型

建立了能够反映高功率连续激光辐照碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板时材料发生烧蚀、热解与层间开裂等热力损伤效应的多尺度分析模型。从细观尺度分别建立了纤维和基体的热解动力学方程,通过热重分析获得热解动力学参数,进而得到CFRP层合板宏观的热物与力学性能参数。通过内聚力模型建立了激光辐照引起层间开裂的分析模型,提出并建立了热解和层间开裂效应阻碍能量传递的热阻模型。将多尺度模型获得的热-力学性能参数与热力耦合数值模型相结合,模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为,模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。     

YSZ全陶瓷涂层加固薄板在激光辐照下的热响应

实验与数值模拟手段相结合,研究了YSZ全陶瓷涂层加固钛合金薄板在976 nm连续波激光辐照下的热响应。比较了不同功率密度下的温度历史曲线和表面形态。考虑主要换热因素,建立了样品温度场模拟的数值模型,根据实验后YSZ涂层未辐照区与辐照区的反射率测量结果描述了辐照过程中耦合系数的变化。结果表明:YSZ全陶瓷涂层对近红外波段激光具有良好的反射特性,显著提高了基材的抗激光损伤能力;激光辐照过程中耦合系数的变化对温度场有重要影响,耦合系数的变化可能与表面的微量烧蚀过程密切相关。     

强激光对离体皮肤组织热损伤的模拟与实验研究

基于激光与生物组织相互作用的机理,建立了强激光辐照离体人皮肤组织的二维传热模型.对于Pennes生物传热方程,使用有限元法数值模拟了温度场分布.并利用连续激光对离体人皮肤组织进行辐照实验研究.实验表明:当激光辐照时间为6.83s时,皮肤组织发生热致汽化;当辐照时间为11.20s时,组织发生热致炭化;当辐照时间为25.30s时,组织发生热致燃烧,理论分析与实验结果相符.     

强激光辐照PC型探测器的动态响应

基于载流子输运和强激光辐照会产生热效应造成探测器的温升,建立了描述光导(PC)型半导体探测器对激光辐照动态响应的动力学模型及非线性耦合方程组。通过进行数值模拟计算,得到了激光辐照PC型半导体探测器的动态响应情况,数值模拟结果与实验结果相吻合。该模型能适用于任何强度的激光辐照,弱激光辐照时结果与传统模型一致,强激光辐照时能描述探测器的信号饱和效应。     

玻璃钢经激光碳化后对微波传输影响的计算──玻璃钢的激光碳化破坏研究之三

本文利用二氧化碳激光对新型复合材料４５０１Ａ型玻璃钢烧蚀实验结果，对碳化物及热解物的参数进行拟合，应用电磁波传输的网络理论建立分层介质模型，对玻璃钢碳化前后的微波传输性能进行了数值模拟，得到了与实验接近的结果。结合实验结果分析了个电常数、电导率及损耗角在微波传输中的作用。     

毫秒激光辐照光学元件的多杂质损伤模型

建立了毫秒长脉冲激光辐射透明光学元件的多杂质加热模型,对涂有SiO2/Al2O3增透薄膜的K9玻璃光学元件在毫秒激光辐照下的温度场和热应力场进行了数值模拟,分析了温度场和应力场分布的发展历程。结果表明在毫秒激光作用下,多个微小杂质团簇作为吸收热源能够导致毁灭性的损伤,且损伤同时出现在元件的前后表面,前表面为温度与应力效应共同作用,后表面为应力效应主导。数值模拟结果与实验损伤形貌观察结果吻合较好。     

大尺寸碳化硅单晶生长环境研究

针对基于物理气相输运法的碳化硅(SiC)单晶生长系统,考虑对流换热的影响建立了传热与传质数学模型,并采用数值模拟的方法研究了其生长系统内的温度场与气相流场.研究表明:坩埚内温度、温度梯度以及加热效率随线圈匝间距与线圈直径的增加而逐渐降低.旋转坩埚可有效解决因线圈螺旋形状而导致的温度场不均匀性.通过不断调整线圈与坩埚之间的相对高度,可保证高品质晶体生长所需的最优温度场环境.此外,坩埚内径尺寸的增加,会加剧其内部自然对流效应.     

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,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

毫秒/纳秒激光致碳纤维环氧树脂损伤形貌研究

为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌,采用全自动变焦测量技术进行了实验验证,测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下,损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,材料损伤区域中心会产生一定的温度积累,损伤区域有一定的热效应,出现熔融、热解等现象,当激光能量密度为20.5J/cm2时,材料的损伤深度达到了47.3μm,材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm,损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大;在纳秒激光作用下,光斑周围有明显的热反应区域,当能量密度大于47.3J/cm2时,表面的热反应区尤为明显,损伤面积随激光能量密度的增大明显增大,由于作用时间较短,损伤主要为表层损伤;树脂热解的气体向外膨胀,导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。     

高功率板条激光介质的纵向强制对流换热技术

液体强制对流换热因具有较高的可靠性和性能稳定性而被广泛使用于高功率板条激光介质介质的制冷,但沿流场方向产生的温度梯度会显著改变激光介质的热应力状态而带来不良影响。提出了基于冷却流场与目标温度匹配控制思路的双大面侧泵激光介质纵向强制对流冷却方案（Longitudinal forced convection）,利用非定常边界条件的流?固耦合有限元仿真方法对比了全腔浸泡对流冷却（Cavity forced convection）、微通道传导冷却技术方案（Micro-channel conduction）,针对入口流量、流场状态、流道壁面条件等因素进行了详细研究。在30 L/min入口流量下,该方案热交换区域固液界面平均对流换热系数达104 W·m?2·K?1量级,且均匀分布。此外,通过改变壁面粗糙程度能够获得更高的对流换热系数。根据设计结果研制了一套板条激光放大器,实验监测点的温度结果与模拟仿真预测结果相吻合,冷却性能达到预期。     

Dynamic Mechanical Properties and Thermal Effect of an Epoxy Resin Composite,Encapsulation’s Element of a New Electronic Component

Epoxy resin is used in many industrial applications principally in the microelectronic field to protect integrated circuits. However, these components are subject to various environments such as moisture and thermal fluctuations during packaging. Consequently, mechanical, physical and chemical properties of the resin can be affected. For an epoxy resin composite designed for a future application, an evaluation of the relevant properties was carried out using a dynamic mechanical analyzer and a thermogravimetric analysis (TGA) instrument. The surface morphology was investigated using scanning electron microscopy to examine the impact of post-cured treatment through evolution of the rigidity and of the glass transition temperature. Subsequently, a temperature classification was proposed to define the temperature limit for safe use of the material. Finally, temperature degradation was observed and confirmed by TGA tests. Results from all of these analyses bring understanding to the phenomenon of thermal degradation and its influence on the stability of the epoxy resin composite.     

Convective gas mixing in the airways of the human lung--comparison of laminar and turbulent dispersion

A mathematical model of gas transport in the airways of the human lung with numerical solution of the corresponding differential. equation is presented. The model takes into account, along with the summed cross section of. the Weibel lung model, both convection and longitudinal dispersion of helium and sulphur hexafluoride in air. Simulation was performed using two dispersion coefficients corresponding to laminar and disturbed flow. Moreover, since the dispersion coefficients are closely related to the velocity, five constant flow rates were used for each computation and each simulation. Comparison between the model responses to laminar and turbulent dispersion was made in order to determine which plays the preponderant role in gas transport in the human lung. In addition, agreement between the experimental time constant of CO2 elimination during high-frequency ventilation and the predicted mixing time constant was satisfactory. It is concluded that Taylor laminar dispersion cannot play a significant role in the human airways; however, it seems that convective gas mixing with disturbed dispersion-corresponding to a quasi-steady state?can account for most observed gas transport phenomena during spontaneous breathing and high-frequency ventilation.     

金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

坩埚位置对PVT生长AlN晶体过程中物质传输的影响

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明:在给定工艺条件下,坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小,烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度,各表面升华速率较快且均匀,籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布,有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升,低温区向坩埚壁扩展,预烧结体内轴向及径向温度梯度增加,籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低,过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下,坩埚内原料升华变得不均匀,坩埚侧壁存在高过饱和区域,极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符,较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。     

酚醛基碳对Si/C负极材料的电化学性能影响研究

以酚醛树脂为碳源,通过高温热解法成功制备了硅碳复合材料(Si/C)。采用热重分析、X射线衍射和扫描电镜方法表征材料的组成、结构和形貌,采用恒流充放电测试、循环伏安法和交流阻抗谱探究了原料配比对硅碳复合材料电化学性能的影响。结果表明,纳米硅与酚醛树脂质量比为1∶1时,纳米硅表面被热解碳均匀包覆,有效提高了复合材料的电化学储能性能。这是因为碳包覆层有助于提高材料的导电率,并缓解硅在放电过程中的体积膨胀。测试发现材料在0.1C倍率下首次充放电比容量为1546 mAh/g;循环50次后可逆比容量为1443 mAh/g,容量保持率达93%;在1C倍率下仍具有1224 mAh/g的可逆比容量。