切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100～600W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料热分解动力学参数的确定

采用热重分析仪对空气和氮气气氛中的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料进行热分析,得到该材料在空气气氛中的烧蚀热为3125～3440J/g,而在氮气气氛中并未出现明显的氧化放热峰。基于阿伦纽斯形式的多步分解模型和直接解法,计算了该材料在空气气氛中的热分解动力学参数。分析表明:阿伦纽斯形式的多步分解模型能够较好地描述该材料的热分解过程;直接解法适用于计算复合材料的热分解动力学参数;确立的热分解动力学参数是正确有效的。

切向空气气流对激光辐照碳纤维复合材料的影响

实验研究了靶材表面存在和不存在切向空气气流时,975nm连续激光对碳纤维增强树脂基复合材料的辐照效应,发现切向气流的加载有利于激光对碳纤维复合材料的破坏。从理论上对激光辐照下碳纤维复合材料的破坏机理进行了初步分析,基于碳的氧化特性和氧化反应机理,推导了碳纤维的氧化速率方程。采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3维温度场模型进行数值求解,从数值上模拟了激光对碳纤维复合材料的破坏效应,模拟结果与实验结果一致。

切向空气气流对激光烧蚀碳纤维复合材料过程的影响

研究了靶材表面存在和不存在切向空气气流时,975 nm连续激光对碳纤维增强树脂基复合材料的辐照效应。两种情况下靶材的动态响应过程明显不同,没有切向气流时,激光辐照1.28 s后,向外喷出的热分解产物在空气中燃烧,出现火焰同时伴有浓烟;有切向气流时,没有观察到带火焰和浓烟的燃烧现象,而是在激光辐照后的瞬间,激光作用区出现灼烧状亮斑,并间歇有少许颗粒向外喷出。分析认为,向外溢出的树脂基热分解产物会抑制氧气向靶材表面扩散,从而对碳纤维具有保护作用;切向气流的加载不仅会破坏热分解产物对碳纤维的保护作用,还会促使氧气到达碳纤维表面,进而导致碳纤维在较低的温度(约850℃)发生氧化烧蚀。

激光辐照下复合材料树脂基热分解3维温度场模型

采用控制体积法,从质量和能量守恒角度,推导了激光辐照下复合材料树脂基热分解时温度变化的基本方程。用多步模型描述树脂的热分解反应。提出了热分解气体的1维运动假设,这使得可以在3维情况下考虑热分解气体对流传输的影响,且在不引入力学量的前提下实现3维温度场模型的封闭。考虑到树脂基复合材料的各向异性,对部分分解材料的导热率计算公式进行了推导,并重新推导了部分分解材料对激光的吸收系数计算公式。在一定的简化下,推导的能量守恒方程与文献结果一致。

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。

确定激光与物质能量耦合系数的非线性规划方法

热耦合系数在激光与物质相互作用中扮演着重要的角色。引入非线性规划方法,根据测量到的靶材某一表面的温度历史曲线构造非线性规划模型,通过对非线性规划问题的求解确定随温度变化的热耦合系数。并利用此方法给出了某种材料的热耦合系数随温度的变化关系,曲线常温点(300 K)对应的热耦合系数与光谱扫描仪测量的结果基本一致,表明这种思想方法是有效的。

激光辐照下树脂基复合材料温度场MSPH算法的并行化

改进的光滑粒子方法在模拟激光对树脂基复合材料的辐照效应时具有明显优势,但串行计算通常难以满足需求。为了提高程序的运行效率,基于消息传递界面并行编程环境实现了串行程序的并行化。将个人电脑完成的串行计算结果与峰值5万亿次的计算机集群完成的并行计算结果进行了比较,并对并行程序的加速比和并行效率进行了测试。数值计算表明,并行计算结果与串行计算结果一致,且并行效果显著,说明基于消息传递界面的并行化是成功的。

热分解气体对流传输对树脂基复合材料温度场的影响

用有限差分法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的一维温度场模型进行数值求解,将数值模拟结果与相关文献中给出的实验结果进行对比。结果表明:考虑了对流传输效应的数值模拟结果比没有考虑对流传输效应的数值模拟结果与实验结果符合的更好,即热分解气体的对流传输对树脂基复合材料的温度场有较大的影响。因此,在不引入力学量的前提下,建立激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型时,需要考虑热分解气体的对流传输效应。

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。

二维情形下组合激光辐照45^#钢靶温升效应的模拟

基于组合激光的新概念,对重频激光与连续激光组合辐照下钢靶的温升进行了数值计算。根据实验测得的钢靶对1.06μm连续激光的反射率随温度的变化曲线,通过求解二维轴对称热传导方程,比较了不同组合参数下钢靶的温升以及能量利用率,分析了组合激光的优势所在。计算结果表明:平均功率密度相同时,组合激光要比连续激光的加热效率高,加热效率还与组合激光中重频激光的各种参数相关,重频激光占空比为1%且峰值功率密度保持不变时,加热效率随着重频率的减小而增高。

激光辐照下金属圆板温升的数值模拟研究

根据实验测量得到的钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律,使用两种不同的数值计算方法计算了连续激光辐照下45#钢靶的温升过程。结果表明,在ANSYS有限元软件中可以使用生热率载荷来模拟材料表面能量耦合系数随温度变化的问题,实际应用中必须考虑能量耦合系数随温度的变化才能准确估计目标的温度场演化规律,本文的计算方法可以推广至三维情形。

组合激光辐照Q235钢靶的实验研究

基于组合激光的新概念,采用1053nm脉冲激光、1064nm重频激光,实验上研究了组合激光对Q235钢靶的辐照效应。表面能谱分析和表面反射率测量结果表明:随着1053nm激光对钢靶辐照脉冲数目的增多,表面逐渐氧化,导致表面反射率降低;辐照脉冲数目增大到一定程度后,氧化反应完全,反射率不再发生明显变化。1064nm激光辐照钢靶的温度场测量结果表明:采用高功率脉冲激光对钢靶表面进行一定程度的预辐照,能够大幅提高目标靶对后续激光的吸收能力。

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。

自然对流情形下激光辐照液体贮箱的机理

利用激光辐照靶目标时,被辐照部位可能是液体贮箱。通过实验测量与数值模拟的紧密结合,揭示了液体处于自然对流状态时激光辐照下贮箱侧壁温升及液体速度场的演化规律。结果表明:激光辐照初期,铝板中心温升率较高;随着壁面附近液体温度的升高,光斑附近速度边界层内的最大流速增大,传热强度亦增大,导致铝板温升率降低;当铝板吸收的激光能量能够基本被水的对流带走时,铝板中心的温升率趋于零。

陶瓷涂层加固铝合金薄板的抗激光性能测试

针对铝合金基材设计了ZrO_2陶瓷涂层,采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm,涂层厚度为0.3 mm,实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况,测量了未辐照区与辐照区的反射率谱,并进行了XPS成分分析。结果表明:平均功率密度700 W/cm^2的激光辐照60 s样品没有熔化;辐照区域颜色变白,对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化,这与XPS检测结果相一致。

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。

激光-载荷联合作用下天然乳胶烧蚀实验研究

为了摸清激光辐照橡胶类气象气球等空中目标的效应规律,为后续开展外场试验提供依据,本文进行了激光-载荷联合作用下天然乳胶材料烧蚀性能实验研究。采用1085 nm光纤固体激光器,对天然乳胶材料进行了激光辐照效应实验,研究了激光和载荷共同作用下材料的烧蚀性能,结果得到:材料主要发生热解、烧蚀穿孔和断裂破坏;在同等功率密度光斑辐照条件下,材料破坏时间随载荷增加先增加后减小;在同等加载条件下,材料破坏时间随辐照功率密度增加而减小。

Nomex蜂窝夹层板弯曲性能温度相关性的实验研究

采用三点弯曲法对六边形Nomex蜂窝夹层板在不同温度下的弯曲性能进行了研究。根据蜂窝芯的正交各向异性特征,分别取面内的两个主方向为长度方向制作了L试件和W试件。在25℃、50℃、100℃、150℃和180℃下开展了弯曲实验,确定了弯曲刚度与剪切刚度。结果表明:随着温度的升高,两个方向上的弯曲刚度与剪切刚度均明显下降;当温度升高到180℃时,弯曲刚度与剪切刚度均低于常温时的20%。对于蜂窝夹层板在横向力学载荷作用下的破坏模式,当温度低于50℃时,多出现面板凹陷;当温度达到150℃甚至更高时,多出现面板与蜂窝芯脱离并向外凸出。文中研究成果可以为Nomex蜂窝夹层板在变温或激光辐照下的工程应用提供参考。

切向气流对激光辐照树脂基复合材料的影响

为了考察切向强迫气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响,基于边界层换热理论,研究了切向气流与靶面的对流换热系数和热分解气体对表面热交换的覆盖效应,并用有限差分法对激光辐照下树脂基复合材料的1维热响应模型进行数值求解。数值计算表明:高速切向气流的存在会加速靶材表面与外部环境的热交换,从而明显降低激光对靶材的加热效率;边界层换热理论给出的对流换热系数和覆盖因子是合理有效的,适用于数值模拟切向气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响;向靶材表面溢出的热分解气体对靶材表面与外部环境的热交换有一定的抑制作用,但影响较小,基本可以忽略不计。