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激光辐照下纤维复合材料宏—细观效应的数值模拟研究

作　者: 李干
导　师: 汤文辉
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 激光辐照纤维复合材料细观结构热-力学效应混合法则
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着激光和复合材料的蓬勃发展,在国防、工业、医疗等领域中都涉及到激光和纤维复合材料的相互作用问题。特别是随着激光脉冲变短、功率变强、加工尺度变小、精度需求不断提高,激光与复合材料的相互作用呈现微观化、复杂化等趋势,宏观的处理已经不能满足要求,因而直接从细观尺度分析材料不均匀性对辐照效应的影响是很有必要的。本文在总结归纳激光与物质相互作用原理的基础上,结合纤维复合材料的特点,建立了描述纤维复合材料细观结构受激光辐照后加热、相变、产物飞散的物理模型。采用Fortran和APDL(ANSYS Parameter Design Language)编写程序,对模型进行分析计算,主要研究了纤维复合材料细观结构在激光辐照下的热-力学响应及其对材料宏观辐照效应的影响。根据材料组元性质差异的大小和纤维束的排布情况,将细观模型分为单纤维束横布、单纤维束竖布、双纤维束和四纤维束模型。采用热焓法和ANSYS“生死单元”技术模拟得到了不同模型的烧蚀形态、温度场、应力场和质量烧蚀率,以此为基础分析了不同组元间能量流动的路径和相互作用的特点。结果表明,在辐照面附近能量从基体流入纤维束,在深层则相反;质量烧蚀率随纤维束占辐照面比例的增减而呈现相反的变化;热软化致使最大应力区域偏离最大应变位置。通过模拟不同激光强度下的辐照效应,从烧蚀形态、温度场和质量烧蚀率等方面讨论了激光参数对辐照效应的影响。结果表明,光强越大组元不均匀性影响越大;在考虑的光强范围内(108~1010W/m2),质量烧蚀率近似和光强成正比;纤维束在辐照过程中起“热泵”的作用,调节基体的烧蚀能耗,光强越小效果越明显。通过分析产物效应,模拟得到了产物飞散后的空间分布和状态参数;通过分析产物气体吸收截面,考虑了产物对后续辐照效应的影响。结果表明,产物飞散导致冲击波在环境气体中传播;飞散产物的影响主要是对靶材的保温效应,对激光的反作用可以忽略。为了探讨细观结构对材料宏观辐照效应的影响,总结了细观结构激光辐照效应的特点,提出了整体采用宏观模型、关键部位采用细观模型进行校验的分析思路。以细观模型为基础,对推导宏观模型参数的混合法的适用性进行了分析,结果表明,光强越大、组分性质越相近、组分比例越小,混合法则的适用性越好。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-11
摘要  11-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-22
  1.1 研究背景  14-18
    1.1.1 激光的发展和应用  14-16
    1.1.2 纤维复合材料的发展和应用  16-17
    1.1.3 激光和纤维复合材料的相互作用  17-18
  1.2 研究现状  18-20
  1.3 本文的研究思路和主要内容  20-22
第二章激光与物质相互作用概述  22-39
  2.1 物质对激光的吸收  22-26
    2.1.1 金属  22-23
    2.1.2 非金属  23-24
    2.1.3 等离子体  24-25
    2.1.4 吸收率  25-26
  2.2 激光辐照的热效应  26-29
  2.3 激光辐照的力学效应  29-37
    2.3.1 激光冲击  31-35
    2.3.2 材料响应  35-37
  2.4 激光辐照的辐射效应  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章材料的细观结构及其与激光的相互作用  39-52
  3.1 材料的性质及其细观结构  39-43
    3.1.1 组元性质对宏观性质的影响  39-41
    3.1.2 纤维复合材料的典型细观结构  41-43
  3.2 激光和材料细观结构的相互作用  43-48
    3.2.1 能量沉积  44
    3.2.2 热应力  44-46
    3.2.3 热解和相变  46
    3.2.4 辐照产物效应  46-48
  3.3 材料细观结构辐照效应分析模型  48-50
    3.3.1 单纤维模型  48-49
    3.3.2 多纤维模型  49-50
    3.3.3 边界条件  50
  3.4 本章小结  50-52
第四章材料细观结构辐照响应的数值分析  52-74
  4.1 程序设计和验证  52-58
    4.1.1 程序设计  52-55
    4.1.2 程序验证  55-58
  4.2 模型尺度和材料参数  58-60
  4.3 单纤维束模型的激光辐照效应  60-64
    4.3.1 单纤维束横布  60-62
    4.3.2 单纤维束竖布  62-64
  4.4 多纤维束模型的激光辐照效应  64-66
    4.4.1 热效应  64-65
    4.4.2 力学效应  65-66
    4.4.3 质量烧蚀速率  66
  4.5 激光参数对辐照效应的影响  66-70
    4.5.1 单纤维束模型  66-68
    4.5.2 多纤维束模型  68-70
  4.6 烧蚀产物对辐照效应的影响  70-73
    4.6.1 产物飞散的一维模拟  70-71
    4.6.2 产物对辐照效应的影响  71-73
  4.7 本章小结  73-74
第五章材料细观结构辐照效应对宏观性质的影响  74-81
  5.1 细观辐照效应的特点  74-75
  5.2 混合法则的适用性分析  75-78
    5.2.1 激光参数对混合法则适用性的影响  75-76
    5.2.2 材料组分比例对混合法则适用性的影响  76-77
    5.2.3 组分性质差异对混合法则适用性的影响  77-78
  5.3 宏观尺度下纤维复合材料的激光辐照效应  78-80
    5.3.1 参数组-1 对应等效模型的宏观辐照效应  78-79
    5.3.2 细观效应对宏观辐照效应的重构  79-80
  5.4 本章小结  80-81
第六章总结  81-83
  6.1 主要研究成果  81-82
  6.2 下一步工作的展望  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-88
作者在学期间取得的学术成果  88-89
附录A 复合材料的混合法则  89-94
  A.1 热学性能的混合法则  89-94
    A.1.1 导热系数  89-91
    A.1.2 比热  91-92
    A.1.3 热膨胀  92-94
  A.2 力学性能的混合法则  94
    A.2.1 杨氏模量  94
    A.2.2 剪切模量  94
    A.2.3 泊松比  94

激光辐照下纤维复合材料宏—细观效应的数值模拟研究

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