强激光的热与力学效应研究课件

强激光的热与力学效应研究祝贺郑哲敏先生90华诞学术报告会黄晨光

2014年9月29日报告提纲一、引言二、脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应三、连续激光对复合材料的辐照效应四、激光应用中重要的力学问题引言激光特性方向性：小于毫弧度立体角→高照度光源等高亮度：太阳光高7－15量级→热与力学效应单色性：1013→通信、谱线宽度测量等高相干性：无限的干涉程差→精密测量、制导等热→力学效应金属介质：电子振动，辐射电磁波＋平动动能，与晶格相互作用电介质：吸收很弱，缺陷吸收诱导破坏半导体：光致电离、自由载流子吸收；电子与空穴复合产生热等离子体：逆韧致辐射吸收、共振吸收等背景：Blastsimulator光学平台上的“激光爆炸”近场小尺度动高压及其效应的模拟

脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应高速摄影＋PIV：形貌、流场PVDF：瞬态冲击波压力PDV：结构自由面质点速度FBG、应变片：结构的变形压力特征？冲击波传播？相似律？—Maxwell方程+含带电粒子Euler方程+Saha方程+EOS—质量间断层的Mott-Smith近似—传播、吸收、流动、LSD的耦合求解压力的求解1脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应经验的吸收、传播和状态方程与靶体、约束层的运动变形耦合压力、脉宽：随约束条件、靶体性能不同呈倍数变化特征的确定：多介质、多场的耦合计算脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应压力的求解2分析模型实验验证XianqianWu,et,al,J.Appl.Phys.2011,110(5):053112.实验计算半峰宽：25ns，波长：1064nm脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应压力：～10GPa脉宽：～10ns高应变率：～106/s

YiliangLiao,ChangYe,DongLin,SergeySuslov,GaryJ.Cheng.JournalofAppliedphysics,2012奥氏体屈服与马氏体相变竞争机制高应变率不会出现相变LSP，应变率106~107/s出现奥氏体马氏体相变GaryJ.Cheng脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应各滑移系上分解剪应力随时间的变化历程脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应弹塑性波速弹性波速6.11×103m/s,塑性波速5.14×103m/s,与文献相近材料参数最大值为59.7m/s，对应513MPa冲击波压力验证：PDV自由面质点速度与表面形貌脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应数值模型验证与几何相似律XQWu,etal.,J.Appl.Phys.114,043105,2013XQWu,etal.,Int.J.ImpactEng.

38(5),322-329,2011XQWu,etal.,ActaMech.Sinica.28,3,825-837,2012能量沉积阶段(载荷)惯性约束阶段（效应）脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应激光器系统实验环境与测量平台①②③①与中科大合作研制激光器②光谱物理Quanta-RayPRO-350-10③IPG光纤激光器YLS-2000-CUT—光学平台，四轴运动器，试验靶箱—同步触发，脉宽测量，能量测量—速度测量，压力测量，图像采集脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应空中推进水下推进激光冲击强化不同环境下的热烧蚀/热解效应6.37MW/m22.55MW/m210.2MW/m212.7MW/m2空气环境中氮气环境中两个重要机制：1、热解效应；2、热力耦合引起的脱层等离子体区气化、燃烧、氧化区热解区热软化区弹性区LaserloadingFlow金属目标碳纤维复合材料目标能量耦合激光与等离子体复杂的反应产物传递耗散均匀介质热传导多相、非均匀物理烧蚀热化学、物理、热力烧蚀结构破坏热软化+载荷复杂烧蚀、损伤来流影响吸收和换热竞争参与烧蚀、影响破坏模式复合材料激光破坏的机制和过程b：原始树脂相p：热解焦炭相g：热解气体相细观热物性模型反应动力学方程：代表性单元方程：平均化方程：含热解效应的能量方程：孔隙率热传导系数密度比热容细观热物性模型CCF300/BA9916边界氧化和运动

烧蚀边界上：分别为相变和氧化引起的边界移动率其他边界上：初始条件：含热解、相变、移动边界的传热(Stefan问题)层间开裂L裂纹扩展单元：界面单元，双线性弹簧元（能量释放率）扩展准则：层间热阻的定义对流单元热阻函数的形式界面分层与界面热阻的统一模型FEM：CFD：BC：流热固耦合计算框架0°切开图试验测量与数值计算瞬态温度场包含脱层的温度场与变形场算例：激光辐照CFRPTTVVPP烧蚀引起的流动特性和换热特性改变

算例：激光辐照CFRP连续激光热－力效应的计算方法气流/激光/结构的耦合求解

—流场+热传导+烧蚀＋结构运动破坏流动计算

—边界运动、气动力/热、氧分压烧蚀计算

—烧蚀：相变、热解、氧化、剥蚀等—激光等热源、热传导、辐射、损耗固体模型

—烧蚀微结构的热物性