有表面气流时激光对薄铝板辐照效应的初步研究

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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 有表面气流时激光对薄铝板辐照效应的初步研究 姓名：张启鹏 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：江厚满 2011-01 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘要 C.D. Boley 等人开展的气流条件下薄铝板的激光辐照效应实验结果表明， 气流 的力学载荷对于薄铝板的破裂有重要的影响。本文针对 C.D. Boley 的实验，采用 数值模拟方法，研究有表面气流时激光辐照下薄铝板的动态响应。主要工作如下： （1）介绍了 C.D. Boley 等人的相关实验结果，提出了本文将要采用的研究方 法； （2）介绍了热力载荷作用下固体材料动力学响应的一般

2、理论模型，针对本文 所要研究的问题，给出了具体的热弹塑性模型； （3）利用 ANSYS 软件，对激光辐照下薄铝板的热力响应进行了数值模拟。 得到了激光辐照下薄铝板的温度场，并与解析模型的结果进行了比较；分析了材 料热学参数随温度变化和热力耦合效应对温度场模拟结果的影响。将有无压强载 荷作用下薄铝板变形及应力分布情况作了深入比较，发现 6000Pa 的压强载荷对薄 铝板变形及应力分布的影响很小。初步认为，为揭示气流在激光辐照下薄铝板响 应中的影响，不能将气流的作用简化为恒定的压强载荷，至少要考虑薄铝板向气 流一侧形成突起后流场压强的空间分布特性。 主题词：激光辐照效应 ； 热弹塑性 ； 表面气流

3、 ； 数值模拟 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT The experiments, carried out by C.D. Boley to investigate the laser irradiation effect on thin aluminum sheet under surface airflow, indicate that the pressure difference produced by surface airflow plays an important role in the breakup of the sheet. Based

4、 on the experiments, the laser irradiation effect is studied in this thesis numerically, using the widely-used software ANSYS. The work includes: (1) The experimentsby C.D. Boley are analyzed, including the setup and the results, and the research methods in the thesis are put forward. (2) The theore

5、tic model about the dynamical responses of solid subjected to both mechanical and thermal loads are introduced. With proper simplification, a thermo- elastic-plastic model is employed to study the response of the thin aluminum sheet. (3) Numerical simulations are done to study the laser irradiation

6、effect on thin aluminum sheet under surface airflow. The temperature field is obtained and compared with result by an analytical model. The deformation and stress distribution in the sheet are thoroughly analyzed. It is found that the pressure load of 6000Pa, which is the pressure difference produce

7、d by surface airflow of 100m/s upon a flat sheet, has little influence on the deformation and stress distribution of the sheet. In order to reveal the role of airflow in the response of the thin aluminum sheet under laser irradiation, the spatial distribution of the flow pressure should be considere

8、d when the sheet bulges toward the airflow. Key Words：laser irradiation effect ; thermo-elastic-plastic ; surface airflow ; numerical simulation 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表目录 表 2.1 光斑大小与穿透时间和穿透温度关系.7 表 4.1 LY12 铝合金的比热和线膨胀系数随温度的变化关系23 表 4.2 LY12 铝合金的弹性模量随温度的变化关系23 表 4.3 LY12 铝合金的屈服强度以及抗拉强度随温度的变化关系23

9、 表 4.4 两种加载条件下杆的挠度比较.31 表 4.5 温升为 20时三个面上的支反力34 表 4.6 对照组中均匀温升条件下对称端的支反力.34 表 4.7 对照组中两端受压条件下对称端的支反力.34 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图目录 图 2.1 有无气流条件下实验结果的对比图.6 图 2.2 气流条件下薄铝板的破裂过程.6 图 2.3 薄铝板背部温度随时间的变化曲线（相应的直线是解析模型的结果）.7 图 3.1 双线性各向同性强化本构关系示意图.18 图 4.1 光斑位置示意图.22 图 4.2LY12 铝合金的屈服强度和抗拉强度随温度的变化.24 图 4.3

10、t=1s 时薄铝板的温度分布云图.24 图 4.4 光斑大小为 13cm13cm 时解耦模型和解析模型给出的薄板的温升曲线.25 图 4.5 光斑大小为 4cm4cm 时解耦模型和解析模型给出的薄板的温升曲线.26 图 4.6 热力解耦和耦合模型得到的薄板上表面中心的温度历史.27 图 4.7 两种参数设置下解耦模型得到的薄板上表面中心处的温度历史曲线.28 图 4.8 杆模型的网格划分图.29 图 4.9 杆受压时压强载荷P与挠度以及的关系29 z UPUz 图 4.10 受压端压强载荷为 18.22MPa 时杆的变形图.30 图 4.11 杆均匀受热时温升与挠度以及的关系.30 z U z

11、 U 图 4.12 均匀温升 12.5时杆的变形图.31 图 4.13 点和线段在模型上的位置示意图.32 图 4.14 对照组 1 中两种加载条件下三条线段上的分布32 x 图 4.15 对照组 2 中两种加载条件下三条线段上的分布32 x 图 4.16 对照组 3 中两种加载条件下三条线段上的分布33 x 图 4.17 对照组 4 中两种加载条件下三条线段上的分布33 x 图 4.18 对照组 4 中两种加载条件下杆的变形图.35 图 4.19 杆的力矩平衡示意图.36 图 4.20 板模型的网格划分图.36 图 4.21 杆和板的对称端三个点处随温升的变化（两端固支均匀升温）37 x 图

12、 4.22 两端面固支板温升为 300时三个线段上的分布.38 x 图 4.23 温升为 147.5时板上表面 z 向位移分布云图.38 图 4.24 板温升为 147.5时三个线段上的分布39 x 图 4.25 四侧固支板中心区域温升 300时 z 向位移分布云图39 图 4.26 四侧固支板局部升温 300时三条线段上的分布.40 x 图 4.27 四侧固支板局部受激光辐照中心温升 300.4时 z 向位移分布云图.41 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.28 四侧固支板局部受激光辐照中心温升 300.4时三条线段上的分布41 x 图 4.29t=1.175s 时模

13、型上表面温度分布云图42 图 4.30 压强 6000Pa、t=1.175 时薄铝板的变形图.43 图 4.31 压强6000Pa、t=1.175s时线段L1上 z 向位移分布. 43 图 4.32 压强 6000Pa、t=1.175s 时三条线段上的分布43 x 图 4.33 压强 6000Pa、t=1.175s 时上表面第一主应力分布云图.44 图 4.34 压强 6000Pa、t=1.175s 时线段 A 上第一主应力与抗拉强度的分布44 图 4.35 压强 6000Pa、t=1.175s 时截面 B 上三个主应力分布云图 45 图 4.36 压强 6000Pa、t=1.2s 时线段 A

14、 上等效塑性应变分布45 图 4.37 无压强载荷、t=1.175 时薄铝板的变形图46 图 4.38t=1.175s 时两种压强载荷下线段L1上z 向位移之差的分布.46 图 4.39 无压强载荷、t=1.175s 时三条线段上的分布.47 x 图 4.40 无压强载荷、t=1.175s 时上表面第一主应力分布云图. 47 图 4.41 无压强载荷、t=1.175s 时截面 B 上三个主应力分布云图. 48 图 4.42t=1.175s时线段A上两种压强载荷下第一主应力之差的分布48 图 4.43 无压强载荷、t=1.2s 时线段 A 上等效塑性应变分布.49 图 4.44 流场中翼型突体的

15、压力分布51 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章引言 1 1 1 1.1.1.1.1研究背景研究背景 在研究强激光对各种靶目标的毁伤效应时，常遇到靶表面有高速气流的情形。 对于气流在激光辐照效应中的影响，此前主要关注于气流的对流换热、对熔化层 的剥离以及氧化作用的影响1。 美国Lawrence Livermore 实验室 C.D. Boley 等人2 3开展的气流条件下薄铝板的激光辐照效应实验结果表明， 气流引起的力学载荷对 于薄铝板的破坏有重要影响。 本文将对有表面气流时强激光辐照下薄铝板的响应开展数值模拟研究，以期 揭示表面气流对薄铝板响应的影响。 1 1 1 1.

16、. . .2 2 2 2国内外研究现状国内外研究现状 本课题研究的基础问题是：表面气流施加的力学载荷对激光辐照下薄铝板的 动态响应的影响。国内目前还没有开展这方面的研究工作；美国 C. D. Boley 等人 的实验结果启发了我们对这个问题的深入思考，但是 C. D. Boley 等人并未开展深 入的理论研究。 从 C.D. Boley 等人的实验结果来看，有表面气流时激光辐照下薄铝板的破坏 是由于铝材的热软化特性以及热力载荷对铝板的联合作用，此外，气流对铝板的 热响应有一定影响。因此，国内外开展的下述工作将对本文的研究有重要的参考 价值：气流对激光辐照下金属材料热响应的影响、典型结构在激光与外载荷联合 作用下的破坏效应和铝材料的高温力学性能研究。下面介绍国内外在这些方面的 主要成果。 1.2.1 气流力学载荷的影响 美国 Lawrence Livermore 实验室 C.D. Boley 等人2 3开展了有表面气流时激光 辐照下薄铝板动态响应的实验研究，结果表明，气流引起的压强载荷对于薄