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连续激光辐照和力载荷共同作用下材料结构的失效

作　者: 刘立婷
导　师: 龙连春
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 铝合金复合材料板圆柱壳激光辐照失效时间
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

激光被广泛的应用于工业、医疗、商业、信息、军事等领域。激光辐照靶物质会产生一系列复杂的物理化学变化。激光作为一种高效热源辐照承力材料或结构的表面时，材料结构产生升温、熔融、烧蚀、气化等现象，造成材料强度下降或结构缺陷，最终导致材料或结构发生失效破坏。研究连续激光辐照与力载荷共同作用下材料和结构的失效机理以及相关参数对破坏时间的影响规律具有理论意义，并对激光防护材料的研究和防护结构的设计有重要工程应用价值。本文对铝合金5A03薄板试件、复合材料T700/603层合板试件以及铝合金5052薄壁圆柱壳试件三种试件在预加载荷和连续激光辐照共同作用下进行失效破坏实验，测试失效破坏时间，分析不同承力结构的失效机理，并对实验数据进行拟合，分析各参数对失效破坏时间的影响规律。为预测力-激光联合作用下材料结构的寿命提供参考依据。主要研究内容包括：(1)对铝合金薄板试件进行常温拉伸实验，测试试件的弹性模量、强度极限和屈服极限等力学性能。设计铝合金薄板试件在拉力和激光辐照共同作用下的破坏实验，测试试件发生断裂的时间，观察试件的失效过程。试件在激光辐照作用下材料软化，破坏强度降低，在拉力作用下断裂，断裂时间与激光功率密度呈指数关系，与预加载荷呈线性关系，与试件厚度呈二次函数关系。(2)对复合材料层合板试件进行常温拉伸和压缩力学性能实验，测试试件的弹性模量、拉伸强度以及压缩破坏强度。设计复合材料层合板试件在不同预加载荷和不同功率密度激光辐照共同作用下的失效破坏实验，测试失效时间，观察失效过程。在激光辐照作用下，复合材料层合板逐层烧蚀，强度降低，在拉力作用下完全断裂破坏；在压力作用下，由于材料吸收热量，树脂基体软化，发生失稳而折断。失效时间与激光功率密度呈指数关系，与预加载荷呈线性关系，与试件厚度呈二次函数关系。(3)对铝合金薄壁圆柱壳试件进行轴压屈曲实验，得到试件轴压下的位移-载荷曲线。设计圆柱壳在轴压和激光辐照共同作用下的破坏实验，测试试件的破坏时间，观察试件的破坏过程。由于圆柱壳吸收激光能量，结构局部升温，强度降低，在轴向压力作用下发生“坍塌”破坏。试件发生“坍塌”破坏的激光入射能量阈值随载荷的减小而增大，呈带状分布规律。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 激光辐照材料结构实验研究现状  10-11
    1.2.2 激光辐照材料结构数值模拟研究现状  11-12
    1.2.3 激光辐照预载结构失效研究现状  12-13
  1.3 本文的主要工作  13-15
第2章激光对固体材料的热效应  15-21
  2.1 热传导理论  15-16
  2.2 激光引起材料的热物性变化  16-18
  2.3 金属材料的热熔融破坏模型  18-19
  2.4 复合材料的激光烧蚀模型  19-21
第3章预拉载荷铝合金试件激光辐照失效实验  21-33
  3.1 铝合金薄板常温拉伸实验  21-22
    3.1.1 实验材料和试件制备  21-22
    3.1.2 实验设备和原理  22
    3.1.3 实验结果  22
  3.2 预拉铝合金试件激光辐照破坏实验  22-32
    3.2.1 试件制备  23
    3.2.2 实验内容和方法  23-25
    3.2.3 实验现象  25
    3.2.4 实验结果和数据拟合  25-32
  3.3 本章小结  32-33
第4章预加载荷 T700/603 层合板试件激光辐照实验  33-57
  4.1 复合材料层合板 T700/603 常温力学性能实验  34-38
    4.1.1 实验材料和试件制备  35-36
    4.1.2 实验设备和原理  36
    4.1.3 实验结果  36-38
  4.2 预拉载荷 T700/603 层合板试件激光辐照实验  38-46
    4.2.1 实验内容和方法  38-39
    4.2.2 实验现象  39-40
    4.2.3 实验结果和数据拟合  40-46
  4.3 预压载荷 T700/606 层合板试件激光辐照实验  46-54
    4.3.1 实验内容和方法  47-48
    4.3.2 实验现象  48-49
    4.3.3 实验结果和数据拟合  49-54
  4.4 本章小结  54-57
第5章轴压薄壁圆柱壳激光辐照实验  57-63
  5.1 常温轴压圆柱壳屈曲实验  57-59
    5.1.1 试件制备  57-58
    5.1.2 实验设备和方法  58
    5.1.3 实验结果  58-59
  5.2 轴压薄壁圆柱壳激光辐照实验  59-62
    5.2.1 实验内容和方法  59-60
    5.2.2 实验现象  60
    5.2.3 实验结果和分析  60-62
  5.3 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  69-71
致谢  71

连续激光辐照和力载荷共同作用下材料结构的失效

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