THE ANALYTICAL STUDY ON THE LASER INDUCED REVERSE－PLUGGING EFFECT BY USING THE CLASSICAL EIASTIC PLATE THEORY（I）─TEMPERATURE FIELDS

The temperature distributions in the metallic foils induced by spatially cylindrical long-pulsed laser is examined in order to analyse the newly-discovered reverse-pluggingeffect ( RPE).An exact solution for the temperature fields is derived by using the Hankel transform and Laplace transform.Numerical results are obtained for bothspatial distributions with Gaussian and cylindrical types.The results show that thespatially cylindrical distribution of laser offers a formidable potential for the RPE.

THE ANALYTICAL STUDY ON THE LASER INDUCED REVERSE－PLUGGING EFFECT BY USING THE CLASSICAL EIASTIC PLATE THEORY（I）─TEMPERATURE FIELDS

the temperature distributions in th metallic foils induced by spatially cyindricallong-pulsed laser is examined inorder to aalyse the neoly-discovered reverse-plugging effet(RPE).An exact solution for the temperature fields is derived by using the Hankel transform and Laplace transform.Numerical results are obtained for bothspatial distributions with Gaussian and eylindrical types.The results show that thespatially eylindrieal distribution fo laser offers a formidable potential for the RPk.

THE ANALYTICAL STUDY ON THE LASER INDUCED REVERSE－PLUGGING EFFECT BY USING THE CLASSICAL ELASTIC PLATE THEORY（II）──REVERSE－BULGE MOTION

Tile reverse-bulge motion (RBW) in the metallic foils. which is induced by spatially cylindrical long pulse laser. is examined in order to analyse the newly-discovered reverse-plugging effect (RPE). An uncoupled, thin plate theory is Used to determine the induced. flexural vibrations. The solution is obtained as the superposition of two displacement .fields, representing the quasi-static and the dynamic behaviors.Meanwhile. the equivalent thermal loading and the dimensionless analysis of thin plate motion are presented. Numerical results presented may partially explain the RBM of thin plate at the early stage of laser irradiation.

瞬态温度场变化下的绝缘子凹槽脉冲激光清洗参数优化

针对绝缘子表面的污秽会使其绝缘性能减弱,对电网的安全运行带来极大隐患。研究瞬态温度场模拟分析下的绝缘子凹槽表面脉冲激光清洗参数优化方法。以中心差分格式获取脉冲激光清洗瞬态温度场,瞬态温度场确定脉冲激光清洗热源传导方程,基于传导方程优化绝缘子凹槽表面清洗参数并完成方法设计。实验结果表明,以高压输电线的绝缘子作为测试对象,分别在不同的脉冲激光功率下进行清洗操作,通过新方法能够获取不同功率参数对应的瞬态温度场变化,得出在脉冲激光为27 W时具有最佳清洗效果,既可以实现污秽物的清理又能保证绝缘子不被破坏。

连续/脉冲激光再制造FeCrNiCu合金成形层温度场研究

采用非接触式红外高温测试仪对连续/脉冲激光成形两种模式下激光再制造FeCrNiCu合金成形层温度场进行分析,获取了熔池及热影响区温度场分布的一般规律,验证了脉冲激光工艺在控制热输入和成形形变以及降低熔池及热影响区温度方面的工艺优越性。结果表明:脉冲激光成形热影响区峰值温度为730.4~810.5℃,熔池峰值温度为998.7~1383.4℃,明显低于相同工艺下连续输出模式;脉冲激光成形层具有更快的升温及降温速率,利于形成细晶组织和获得良好的力学性能;实际成形实验也进一步验证脉冲激光工艺具有更小的热影响区范围。

脉冲激光辐照金属板温度场应力场数值分析

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点,基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟,得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明,在脉冲激光扫描加热作用下,金属表面发生多次熔化和凝固,温度时间曲线呈锯齿形;重熔区域应力场变化剧烈,随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动;金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力,纵向应力达799MPa,横向应力达700MPa。

基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。

基于光电缆的分布式温度传感网络的实验研究

本文提出增加一根光纤光栅与光电缆绕制在一起,用于监测电缆中的实时温度。采用有限元分析方法,建立了光电缆温度场模型。使用可调谐脉冲激光为光源,在一根光纤上刻制多个相同中心波长的布拉格光栅,即采用全同光栅作为系统的温度传感器,当光电缆线路中温度发生异常时,反射回来的光栅中心波长发生偏移,通过检测反射光中心波长发生的偏移量可以确定光栅温度变化的大小。不同位置的光栅返回光信号所需的时间不同,通过检测和计算光返回的不同时间,可以计算出发生温度变化的光栅位置。实验结果表明,光栅的温度敏感性可以达到11.4pm/℃,光栅的测量温度与实际温度的误差在3%范围内。

304不锈钢薄板脉冲激光焊焊接热过程数值分析

针对不锈钢薄板脉冲激光焊接的特点,基于有限元分析软件ANSYS,对0.5mm厚的304不锈钢薄板脉冲激光焊接的热过程进行三维数值动态模拟。建模时采用实体单元和表面单元结合,并采用焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网格,除了施加整体与外界的对流散热条件外,还考虑了工件与夹具之间的传导换热,分析了焊接温度场在工件上的分布规律及工艺参数对焊缝成形的影响,并据此提出了提高不锈钢薄板激光焊焊接接头质量的方案。计算结果表明,熔池的尺寸随输入能量的变化较为明显,在激光加热0.05s后材料开始熔化,熔池呈现大幅度增长趋势;焊接速度对熔深和熔宽的影响较为显著,熔宽随焊接速度的增加而逐渐减小,熔深几乎与焊接速度成反比,当焊接速度约为0.4m/min时,熔深为0.5mm以上,工件熔透,且深宽比可达到2∶1。计算所得熔池大小与试验结果基本吻合。

脉冲激光二极管端面泵浦Nd:YAG棒时变温度场

在脉冲激光二极管(LD)泵浦的激光晶体中存在升降温的时变过程,为解决脉冲LD端面泵浦的激光晶体产生的热效应问题,基于热传导方程,采用特征函数法和常数变异法得到了脉冲超高斯光束端面泵浦Nd:YAG棒的时变温度场的一般解析表达式。同时定量分析了单脉冲和重复脉冲端面泵浦Nd:YAG棒的时变温度规律。研究结果表明,重复脉冲端面泵浦Nd:YAG棒时,棒内温度随时间呈锯齿状变化,经过一段时间后最终呈稳定的周期性分布;棒内温度也随泵浦脉冲束腰半径的减小和占空比的增大而增大;脉宽越宽时,棒内温度的波动幅度也越大。研究方法和所得结果还可以应用到激光系统的其他时变热问题的研究中,对解决激光系统的热问题具有理论指导作用。

脉冲激光清洗瓷式绝缘子表面污秽温度场和应力场分析

脉冲激光清洗技术具有运行成本低和可控性好等优点,已开始应用于瓷式绝缘子表面的污秽清除。脉冲能量密度太大,会造成瓷绝缘子的损伤。能量密度过小,直接影响清洗效率。文中以瓷式绝缘子及表面污秽为对象,通过建立有限元模型,分析不同能量密度脉冲激光下瓷式绝缘子表面温度和应力随距离变化的规律,研究脉冲激光清洗瓷式绝缘子的表面污秽清洗机制,确定最佳清洗能量密度。结果表明,能量密度为1.18 J/cm^2到2.01 J/cm^2的脉冲激光清洗瓷式绝缘子时,绝缘子表面温度远小于其气化温度;脉冲能量密度为1.41 J/cm^2时,表面最大的应力小于且接近瓷式绝缘子的抗拉强度,在不损伤基底的前提下此脉冲能量密度清污效率最高。研究成果为脉冲激光清洗瓷式绝缘子能量密度选择提供了重要依据。

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。

脉冲半导体激光器端面抽运Nd：YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13μm和0.19μm之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。

激光作用下的铝管热参数的变化对温度场的影响

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于铝管时所产生的温升情况。比较了物理参数随温度变化和不随温度变化两种情况下的温度场的区别,分别给出了两种情况下的温度随角向的分布曲线。结果表明:物理参数随温度的变化对整个瞬态温度场的影响很大,为在热弹条件下在激光激发管状材料时的超声导波的研究提供了定量的基础。

脉冲激光辐照下VO2薄膜温升的有限元分析

为掌握高功率脉冲激光防护中脉冲激光各参量对VO2薄膜温升的具体影响,采用有限元分析程序ANSYS的热分析模块分析了VO2薄膜在脉冲激光辐照下的温度场变化,分析讨论了CO2脉冲激光的光斑尺寸、功率密度、脉冲宽度、重复频率四个参量,对VO2薄膜达到相变温度的时间与相变区域尺寸的影响.结果表明,光斑尺寸等四个参量共同影响薄膜达到相变温度的时间,在一定范围内增大光斑尺寸和功率密度可缩短薄膜相变的时间,而薄膜相变区域尺寸所占光斑面积的比例与二者并无直接关系,增大脉宽或重频都有利于缩短薄膜达到相变的时间,但前者对单脉冲产生热量的提升比后者效果更明显.

脉宽对飞秒激光辐照产生温度场的数值模拟

为了研究脉冲宽度对飞秒激光辐照金属后产生的电子和晶格温度场以及平衡时间的影响,基于双温耦合理论,采用有限元方法,考虑激光的空间和时间分布,数值模拟高斯分布的飞秒激光辐照金属表面产生的温度场.给出了双温方程及数值模型,得到金属材料中电子和晶格的温度场.结果表明飞秒激光的脉冲宽度不仅影响某一点处电子和晶格温度的上升速度和最大值,而且影响着温度场的空间分布;当脉冲宽度远小于皮秒量级时,电子和晶格的温度达到平衡所需时间主要取决于电子与晶格的耦合作用;而当脉冲宽度接近皮秒量级时,平衡时间主要取决于激光的脉冲宽度.该结论为飞秒激光辐照金属激励产生应力场、超声波声场等的进一步研究提供了理论基础.

CVD金刚石膜激光打孔温度场有限元仿真

化学气相沉积金刚石膜是聚优异力学、电学、热学性能于一体的材料。金刚石激光打孔过程中存在特有的石墨化现象使得其温度场的分布有别于其他材料,因而,开展CVD金刚石膜激光打孔温度场研究对于理解热加工机理和进行参数优化具有重要的指导意义。本文首先建立了考虑金刚石石墨化过程的激光打孔热力学模型,根据有限元模型开展对CVD金刚石膜激光打孔有限元仿真研究,得到激光打孔温度场和金刚石石墨化的分布规律,并讨论激光能量、脉冲宽度、重复频率对单个脉冲去除量和石墨化程度的影响。仿真结果表明:单个脉冲平均去除量和石墨化程度均随着激光能量、脉冲宽度、重复频率的增加而增加,但激光能量的影响最为显著;当激光能量取0.5～1.6J,脉冲宽度取300～800ns,重复频率取30～60Hz时既可以得到很高的加工效率同时又可以获得热影响区域较小的加工效果。

激光剥离Al_2O_3/GaN中GaN材料温度场的模拟

对激光剥离Al2O3/GaN技术,建立了紫外脉冲激光辐照过程中GaN外延层内热传导理论模型。计算分析了不同能量密度脉冲激光辐照时,GaN外延层内的温度场分布,由此得到激光剥离的阈值条件。采用紫外KrF准分子激光器对Al2O3/GaN样品进行激光剥离实验,样品表面显微镜和端面扫描电镜(SEM)测试照片说明,计算结果与实验现象相符。进一步分析表明,脉冲激光的能量密度和频率是实现激光剥离的关键参数,适当选取这些参数能将GaN材料内的高温区控制在100nm以内,实现高效低损伤激光剥离。

反冲塞效应的热弹性理论分析（Ⅰ）──温度场分析

本文对我们新近发现的长脉冲激光束对金属薄片材料的一种新的破坏方式──“反冲塞”效应进行了温度场分析，用Ｈａｎｋｅｌ变换和Ｌａｐｌａｃｅ变换，得到了温度场的精确解，以激光束的空间分布为均匀分布和高斯分布为例对温度场进行了计算，结果表明激光束的空间均匀分布是产生反冲塞效应的主要原因。

5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟

使用ANSYS有限元分析软件对5052铝合金薄板脉冲激光焊接过程进行温度场模拟,模型使用了三维锥体热源,通过模拟结果与试验结果的对比确认了模型的可靠性。通过分别改变峰值功率、脉宽和频率,分析了各焊接参数对焊缝截面形状及表面最高温度的影响。结果表明,焊缝的熔深、熔宽和表面最高温度均随峰值功率、脉宽或频率的增加而增加,其中,峰值功率对这些焊缝参数的影响最大,脉宽次之,频率最小。采用低单脉冲能量、高频率的参数设定能在获得较低的焊缝表面最高温度的同时,获得一定的熔深。