单层碳纤维复合材料激光多向切割的温度场模拟北大核心CSCD

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数,建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°,树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明,激光多向切割单层CFRP时,烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导;随着纤维铺设角度的增大,传递方向的角度增大;稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大,切缝倾角增大,表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变,温度场变宽,最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时,热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比,数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%,热影响区宽度的平均误差为13.09%。     

激光超声测量弹性常数的Abaqus数值模拟

材料的力学性能直接影响到构件的安全性和寿命,而材料的弹性常数是其力学性能的重要指标。利用有限元软件Abaqus模拟了激光激发的超声表面波和纵波在金属薄板试样表面及体内的传播过程。采用修正的高斯分布的力源等效激光对样品的脉冲作用来产生超声波,在边界处设置无限单元消除反射回波的干扰信号,并由接收点的超声表面波和纵波信号计算得到波速大小,再根据波速和弹性常数之间的关系得到材料的弹性常数。数值结果与理论解吻合良好,为激光超声检测材料弹性常数提供了一种十分有效的数值方法。     

基于激光超声的材料力学性能测试方法研究

近年来,激光超声检测技术的研究和应用获得了很大发展,已成为非接触式测试材料力学性能的一种重要技术和手段.本文对激光超声检测技术的原理、超声信号的非接触检测方法进行了介绍,通过实验测量激光脉冲轰击材料表面产生的纵波和表面波速度,并根据材料弹性常数与超声速度之间的表征关系,求出了与理论数值相符合的材料弹性常数.所得结果证实...     

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。     

激光压电光声技术检测材料缺陷的研究

报道了一种用激光压电光声技术测量材料缺陷的原理与实验方法，通过测量压电光信号的振幅与相位，根据信号振幅与相位的变化，判断出材料缺陷的位置，并对硼--铝复合材料进行了测量。     

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。     

用激光冲击波无损评估材料内部的均一性

利用脉冲激光诱导的冲击波对材料的内部组织结构进行无损评估，首次通过测量激光在铝和碳纤维／环氧复合材料中诱导的冲击波获得了材料内部的均一性信息。     

激光雷达常数的测量研究

提出了一种新的激光雷达常数的确定方法.利用在大气气溶胶水平分布均匀的天气条件下,在无几何因子影响的区域通过激光雷达消光后向散射比和美国大气模式的数值计算得到激光雷达常数.理论上分析了误差来源,由激光雷达消光后向散射比引起最大的误差小于12.27%.最后根据测量信号计算得到本系统激光雷达常数为600668.2 sr·km3,其标准偏差小于13%.不同时刻的测量结果显示了很好的一致性,表明该方法是可行的.激光雷达常数的获取为评估激光系统以及激光雷达方程的参数反演带来的便利.     

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。     

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...     

一种利用激光超声技术检测裂纹位置的策略

为了检测工程机械疲劳裂纹所在位置,本文利用 激光超声技术,基于脉冲回波法(Pulse-echo)提出了一种检测裂纹所在位置的策略。结果表明:通过将探测光源放置在 近 场区域,同时将探测源与激励源相对固定,两次移动材料的这种策略,可使两次移动过程中 利用探测光位置代表裂纹左右边缘,从而能得到裂纹所在的位置及裂纹的宽度。实验证明, 本策略可用于定位裂纹误差,与传统的光源设置方法中单向移动扫描的方式相比,能够同时 得到裂纹的位置信息和宽度大小。本文为激光超声检测工程机械裂纹位置提供了一种策略。     

环形光源激发超声进行缺陷检测的数值研究

为了提高激光超声的激发效率且不对被测表面造成损伤,改变了光源的空间分布,采用脉冲激光环形光源激发超声及有限元方法,应用多物理场耦合软件,对铝板中激发的超声全场波形进行了数值模拟,研究了环形光源中轴线上叠加横波的激发特性随激光参量而变化的规律,并与点光源激发超声进行对比.通过模拟缺陷所导致超声场的变化规律,提出一种环光源...     

激光辐照材料表层温升规律的数值模拟

为了在烧蚀机制下的激光超声检测中合理加载激光能量,获得幅值较大的超声信号而不过于损伤被检材料,需要分析激光辐照材料表层的温升规律及激光烧蚀的问题。建立了激光辐照材料的理论模型,激光以热流密度的形式加载于材料表面。结合导热微分方程,将对流传热和辐射传热一同考虑,并在材料表层升温过程中有效处理了相变潜热,对材料表层受激光辐照的温度场进行了数值模拟。给出了激光烧蚀材料有限元分析的程序流程,选择45#钢坯为例进行激光辐照仿真计算,分析了钢坯表层受激光辐照区域、区域下方及区域边界附近节点的温升规律,并对比钢坯受激光辐照的实际烧蚀情况和通过采集激光超声波信号进行了验证。结果表明,数值模拟能够为后续热应力分析中载荷的加载提供依据,并为激光超声检测中激光能量的加载提供了参考。     

CO2激光照射活体皮肤的光热效应研究

结合温度测量和数值模拟进行激光与组织光热效应的研究。采用二维有限元法求解生物热传输方程,可计算得到组织的模拟温度分布。温度测量可用来验证理论模型,采用微型热电偶与红外辐射测温仪同时测量生物组织内部和表面照射点温度,适于组织微创和快速的点温测量。CO2激光凝结活体大鼠皮肤组织的实验和数值分析结果显示温度响应曲线形状基本一致,表面照射点（r=0mm,z=0mm）和皮下（r=0mm,z=1mm）温度的峰值相对误差分别为23．24％和0．4％,灌注率和位置是温度曲线的主要影响因素,所以准确的组织参数和更精确的定位可以进一步降低误差,为激光治疗提供直观、全面和可预知的信息。     

强激光辐照7075铝合金热响应与材料尺度律关系研究

为了明确金属板受激光辐照产生的热响应与材料尺度律之间的关系。采用数值模拟和实验相结合的研究方法,开展了不同尺度律下7075铝合金板在波长为1064 nm的连续波激光辐照下的热响应研究。首先利用COMSOL有限元软件建立了金属板在连续激光辐照下的数值模型,得到不同尺度律的铝合金板的温升过程;之后开展同尺寸实验验证,对比数值仿真数据。研究结果表明:在等效时间内,不同尺度律模型温升过程一致;实验数据与仿真结果趋势相似,各尺度律下仿真与实验相对误差均小于17 %。该研究结果对于强激光辐照效应的应用与研究具有一定价值。     

激光激发板状材料中超声导波的有限元数值模拟

材料表面吸收激光辐照的能量后，产生瞬态温度场，引起表面层的局部热膨胀，产生超声波沿不同方向传播。激光超声具有非接触、宽频带、多模态的特点，提供了材料的弹性性质和材料无损检测的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的特性，用有限元方法数值模拟激光在板状材料中激发瞬态温度场，建立热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型。数值模拟的结果表明：材料中瞬态温度场分布在材料的表面层的非常小的区域，温升区域是产生超声的体源。分析近场和远场接收的超声导波的表面波形的传播特征，讨论激光输入参数和激光产生超声波特征之间的关系，为热弹条件下材料性能的激光超声检测提供了定量的基础。     

动力系统热负荷红外在线监测定量识别

热负荷是评估动力系统运行状态的关键参数之一,传统热负荷检测方法存在操作复杂、应用范围窄、准确性低等缺点。对动力系统壁面建立了二维数学物理传热模型,采用数值计算方法求解壁面温度分布,在分析三角型和正弦型两种热负荷分布形式下壁面热特征的基础上,提出了依据红外热像仪监测到的壁面温度信息利用共轭梯度优化算法对动力系统壁面热负荷进行在线监测定量识别的方法。通过数值模拟实验的方法考察了红外热像仪测温误差、壁面热负荷初始假设以及壁面材料对壁面热负荷定量识别结果的影响,验证了该方法的可行性,发现热负荷定量识别的结果主要受到测温误差的影响,并且低导热率材料动力壁面上的正弦型热负荷受红外测温误差的影响较小,在相同壁面材料和测温误差为0.05℃的情况下,基于内壁面温度信息和外壁面温度信息的正弦型热负荷识别相对误差分别为0.56%和1.94%,而三角型热负荷识别相对误差却分别为8.13%和12.65%,但两者都满足一定的工程应用。     

金属和非金属材料中激光超声前驱小波分析

根据激光脉冲的时间分布、空间分布及材料物理参数与激光超声波形特征的关系,采用有限元方法(FEM)建立了激光超声的热弹有限元数值模型,得到了金属和非金属材料中的温度场分布,将温度场作为超声力源进而得到热弹激发的超声对心波形。根据对心波形,分析了前驱小波的成因和规律。结果表明,金属材料中由于热扩散效应在金属表面附近激发出一个位于表面的力源;非金属材料由于同时存在光学穿透效应,在材料表面层下形成一个有一定深度的体力源。激光辐照导致金属材料中加热区域急速膨胀进而产生垂直于表面方向的应力,而非金属材料该垂直表面方向的应力作用于材料表面下方一定深度处。因此金属材料中前驱小波为单极波形,而在非金属材料中表现为双极波形。前驱小波波形的特征反映了材料的物理性质和参数。该研究为利用前驱小波进行材料的定量检测和无损评价提供了依据。     

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。     

应用于吸收型甲烷传感器的1650nm DFB激光器的研制

光学吸收法是一种工程上有效可行的检测痕量甲烷气体的方法,具有广泛地应用于构建煤矿坑道等场合的安全防护和报警系统的潜力.为实现针对甲烷气体1653nm吸收峰特性的单色光源,采用金属有机化合物化学气相沉积外延和纳米压印等技术手段,从多量子阱外延材料设计和金属有机化合物化学气相沉生长到器件封装,研制了1653nm分布反馈激光...