脉冲激光作用下金属反射镜热力耦合数值模拟
脉宽对飞秒激光辐照产生温度场的数值模拟
基 于双 温耦合 理论 ， 用有 限元方 法 ， 虑 激光 的空 间和 时间分 布 ， 采 考 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 ． 出 了双 温方程 及数 值 模 型 ， 到金 属 材 料 中 电子 和 晶格 的温 度 场． 给 得
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 ； 当脉 冲 宽度 接 近 皮 秒 量级 时 ， 而 平衡 时 间主要 取 决 于激 光 的脉 冲 宽
度． 结论 为飞 秒激 光辐 照金属 激励 产 生应 力场、 声波 声场 等的进 一 步研 究提 供 了理 论基础 ． 该 超
关键 词 ：温度 场 ；飞秒脉 冲 激光 ； 温模 型 ；有 限元方 法 ；平衡 时 间 双 中 图分类号 ： Ｎ ４ Ｔ２１ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： ６ ｌ ７ ７ （０ １ ０ ０ ９ ０ １７ 一 ７ ５ ２ １ ） ２— １ ９— ６
，
ｓ ａｉｌａ ｄ ｔ ｍｐ ｒ ｌｓ ａ ｅ ｏ ｈ ａ ｅ ｕ ｓ ｐ ｔａ ｎ ｅ ｏ ａ ｈ ｐ ｆｔ ｅ ｌｓ ｒｐ ｌｅ，ｔ ｅ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｏ ｅ ｔｍｐ ｒ ｔ ｅ ｆ ｌ ｆｔ ｅ ｍｅａ ｈ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉ ｆｔ ｅ ｅａｕｒ ｅ ｄ ｏ ｈ ｔｌ ｏ ｈ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｔ ｄ ｈ ｎ ｕ ｎ ｅｏ ａ ｅ ｕ ｓ ｄ ｈ ｏ ｈ ｌｃ ｒｎ ａ ｄ ｌｔｉｅ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅｄ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｓｕ ｙ ｔｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｆ１ｓ ｒｐ ｌｅ ｗｉ ｔ ｎ ｔ ｅ ｅｅ ｔｏ ｎ ａ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｓ ｌ ｅ ｉ
脉冲激光辐照下金属／液体结构温度变化初探
究 。钟明、 王伟平等还分别研究 了激光辐照下 金属／ 炸药 结构 的 温 度 场 分 布 。但 激 光 对 装 有 液体的金属 容器 （ 简称金 属／ 体结 构 ） 液 的辐 照效 应、 液体的存在对金属壳 内温度变化的影 响尚未见 有公开的报道。本文从实验及数值模拟上对脉冲激 光辐 照金 属／ 体结 构 引起 的温 度 变化 进 行 了初 步 液 研究。使用波长为 １５ ｍ重频脉冲激光分别辐照 ０３ｎ 铝合金 板 和铝合 金／ 水结 构 ， 热 电偶记 录铝 合金 板 用 后表面的温度变化 ， 分析 了水 的存在对铝合金板温 度变化的影响。采用有 限元方法 ， 计算 了重频脉冲 激光辐照下铝合金板和铝合金／ 水结构 中的温度场
脉冲激光辐照下金属／ 液体结构温度变化初探
袁立 国， 国民 ， 赵 焦路光
（ 国防科技大学 光电科学 与工程学 院， 湖南 长沙 ４ ０７ ） １０ ３
摘
要 ： 过 １５ ｍ 重频脉 冲 激光辐 照铝 合金 板 和 铝合 金／ 结构 实验 ， 步研 究 了水 的存 通 ０３ｎ 水 初
在对铝合金板温度变化的影响。采用有限元方法 ， 计算了脉冲激光辐照下铝合金板和铝合金／ 水结构 中的温度场变化。数值结果和实验结果基本相符 ， 水的存在加速 了热扩散， 延缓 了铝合
ｓａ ｎ ｌ ｍｉｕ ａｌｙ ｃ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｉ ｇ ｗ ｔｒ ｂ ｔ ｒａ ｉ ｔｄ ｂ ０ ３ ｍ ｕ ｓ ｄ ｌｓ ｒ Ｆ ｎｔ ｌ ｍｅ ｔｍｏ ｅ ｓａ ｅ ｌｂ ａ ｄ ａｕ ｎ ｍ ｏ ｈ ｍｂ ｒｃ ｎａ ｎｎ ａｅ ， ｏｈ ｉ ｄ ａｅ ｙ １ ５ ｎ ｐ ｌｅ ｅ ． ｉ ｉ ｅｅ ｎ ｄ ｌ ｒ ｌ ｒ ａ ｅ ｓ ｔ ｐ ｔ ｉ ｌｔ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ａ ｉｔ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｄ ｓｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌｓ ａ ｒ ｅ ｗｅｌｗ ｔ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｅ ｏ ｓｍｕ ａｅ ｔ ｅ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｅ ｄ ｖ ｒ ｉ ｒ ｃ ｓ ， ｎ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕｔ ｇｅ ｌ ｉ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ — ｕ ｉ ａｏ ｏ ｈ ｓ ｈ ． ｒｗｏｋ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｗａｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ ｃ ｅｅ ａｅ ｈ ｒ ｌ ｉ ｕ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｉ ｓｄ ｈ ｕ ｎ ｍ ｌｙ ｕ ｓ Ｏｕ ｒ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｔ ｒｉ ｈ ｈ ｍｂ ｒａ ｃ ｌｒ ｔｓ ｔ ｅ ｍａ ｄ ｆ ｓｏ ｒ ｃ ｓ ｎ ｉ ｅ ｔ ｅ ａ ｍｉ ｕ ａ ｏ ｆ ｌ ｌ
钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟
T0 T
2
2.1
数学模型
粉末与激光的相互作用 当激光穿过从喷嘴发射出的同轴金属粉末流
(5)
76
机
械
工
程
学
报
第 47 卷第 24 期期
这样， 无论比热容 c 怎样变化， H 总是一个光滑函数。 2.4 边界条件 边界条件如式(6)所示。 q ql (r ) A q p Ah (T T0 ) (T 4 T04 ) (6) 2r 2 2P ql (r ) 2 exp 2 Rb Rb 式中， q 为熔池表面的能量密度值， ql 为热源的高 斯分布密度， r 表示激光半径， P 为激光能量的总 强度， Rb 为激光束的有效半径，实际的激光能量有 效吸收由工件的材料吸收率 和激光入射角 决 定 ， 吸 收 系 数 的 经 验 公 式 为 Aa cos
p v p 为粉末速度， p 为粉末的密度， c p 为粉末的比
定压热容， T 为粉末的升高的温度值。粉末的温度 升高值可以使用沿轴向逐层的能量密度衰减计算。 2.2 控制方程 控制方程如式(4)所示。
1
条件假设
为了反应金属沉积成形过程的特点，做出以下 假设。 (1) 激光侧面轮廓为高斯分布， 且方向恒定为 z 的负方向，即忽视深焦点效应。 (2) 固相和液相为严格意义的连续统一体。 (3) 粉末的形状为标准的球形，且在熔池表面 瞬间熔化。 (4) 基板 y 方向两端面的 x、y、z 三个方向的位 移都被约束为 0。 (5) 沉积材料和基板的热物理参数都视为温度 的函数。 (6) 材料为各向同性材料。 (7) 整个过程中，工件表面只有熔化没有汽化。
月 2011 年 12 月
金属切削过程热力耦合的三维数值仿真_颜怡霞
。但是由于切削
过程本身是很复杂的 工 艺 过 程， 它不但涉及到弹塑性 力学 、 断裂力学， 还有 热 力 学 和 摩 擦 学 等， 因此利用解 析方法很难对切削机 理 进 行 定 量 的 分 析 和 研 究； 同 时 对金属切削过程中内部应力 、 应变 受实验技术的限制， 和温度的变化也不能获得较准确的实时测量结果 。 计 使得利用 算机的快速更新和有 限 元 技 术 的 快 速 发 展， 有限元技术对金属的切削过程进行仿真成为可能 。 近
= u + Δ t （ t + Δ t） u N （ t － （ Δ t / 2 ） ） 分别为第 N 个质点当前时 和u
N （ t + （ Δt / 2） ）
∫P d S
i S
（ 2）
N N 间段和前一个时间段的中点速度，u （ t + Δ t） 和 u t 则分别
将力 平 衡 方 程 （ 2 ） 代 入 能 量 守 恒 方 程 （ 1 ） ， 可得 热 — 力耦合的能量守恒方程
引言
金属切削工艺主要是通过刀具切除材料表面多余 的材料层来获得理想的工件形状 。 切削广泛用于现代 例如在 汽 车 、 铁 路、 轮船和飞机制造等都 制造工业中， 离不开金属的切削工艺 。 因此， 为了提高切削质量 、 提 减少成本， 较好地理解金属切削过程机理是非 高效率 、 国内外许多学者就金属切削 常必要的 。 正因为如 此， 进行大量的理论 分 析 和 实 验 研 究
∫ρ v
V
i
∫ ∫
S
∫ρ
V
(
珚 Q + bi vi ) dV + （ 1）
（ 9）
(
P i vi － Η ) dS
运动方程的计算 采 用 中 心 差 分 时 间 积 分， 当前时 段的速度和位移由下式求的
激光加热金属板流固耦合数值模拟
运 动速 度之 间 的关 系 ； 张健 等 计 算 了外部 流场 冷却效 应 对 激光加 热 物 体 的影 响 。 以上文 献 中有 的仅 仅 考虑
积 远 大 于 激 光 辐 照 区 面 积 ， 视 为 无 限 可
ｇ ］ ｒ
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且 且
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大 ； 流 为无穷 远处 均匀来 流 ， 气 模拟 速度 分别 为 ５ ｍ／ ｓ和 ２ ０ ｍ／ ； 激 光 为 均 １ ｓ 设 匀连 续辐 照 ， 照 时 间 ９ ７Ｓ 激 光 光 斑 辐 ． ， 为 圆形 ， 径 １ 直 ０ ｍｍ， 文 假 设 激 光 完 本
照 区温 度足够 高 、 流 速度 足够 大时 ， 气 高速气 流可 能 冲刷带 走 部分 受热 软 化 的金 属材 料 ， 而可 能 使 材 料 的温 从
度 分布 发生较 大 变化 。 目前 ， 已有许 多学者 对不 同条 件下 激 光作 用金 属 的温度 场 进 行 了研究 。赵 剑衡 等 ＿ 用 １
激光 辐照 金属 材料 存在 复杂 的物 理化 学 变 化过 程 ， 光 辐 照下 金 属 表 面 温度 会 急 剧 上 升 ， 激 到达 一 定 温 度 后， 材料会 经 历一个 从 软化 到熔化 再到气 化 的过程 。气 流流 经辐 照 区域 时会 通过 对流换 热带 走部 分热 量 ， 当辐
第 ２ 卷 第 ４期 ３
２ １ 年 ４月 ０１
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
高重复频率脉冲激光辐照下反射镜热变形及其对光束质量的影响
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工 业 技 术
Ｓｃｉ ｅｎ ｃｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃｈ ｎｏｌ ｏ ｇｙ Ｉ ｎ ｎｏ ｖａｔ ｉ ｏ ｎ Ｈｅｒ ａｌ ｄ
高 重复 频 率脉 冲激 光辐 照 下 反射 镜 热 变 形 及 其对 光束 质 量 的影 响
陈志理 （ 核工业理化工程研究院 天津 ３ ０ ０ １ ８ ０ ）
２ 激 光 功率 与热 变 形 的关 系
经 光 纤 传 输 整 形后 照射 到样 品上 的激 光 光斑是一个短 轴为６ ｍｉ ｒ ｌ 长轴为８ ｍｒ ｒ ｌ 的椭 圆， 在 测 试 过 程 中逐渐 增加 激 光 功 率 ， 固体 激 光 在 某 一 功率 稳 定一 定 时 间后 （ 约１ 分 钟 ）开始 对 反射 镜 进 行 测 量 ， 热 变 形 随功 率 变 化 曲线 如 图３ 所示 。 从 图３ 可知， 反 射 镜 热 变 形 与激 光 功率 呈 良好 的线 性 关系 ， 并且 随 激 光功 率 的 增加 而增大 ； 不 同批 次 全 反 镜 ， 由于 镀 膜 工 艺 不 同变 形 不 同， 既 使 是 同一 批 次 的全 反镜 热变
激光脉冲耦合及性能参数测试教学实验设计
图１ ６ Ｏ ０¨ Ｉ ｌ ｌ 芯径光纤耦合后激光光斑图
第２ ８卷
第 ５期
大
学
物
理
实
验
Ｖ０ １ ． ２ ８ Ｎｏ ． ５
２ ０ １ ５年 １ ０月
Ｐ ＨＹＳ Ｉ ＣＡＬ ＥＸ ＰＥ ＲＩ ＭＥＮ Ｔ Ｏ Ｆ ＣＯ ＵＬ Ｅ ＧＥ
０ｃ ｔ ． ２ ０ １ ５
文章编号 ： １ ０ ０ ７ － ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ０ ４ ２ － ０ ３
１ 钬激光耦合实验设计
由于钬 激光 波长 为 ２ ． １ ｍ， 水 对 其 吸收 系数
约为 ３ ０ ｅ ｍ一， 因此 不 能 用 普 通 的 Ｋ ９玻 璃 材料 制
四步 ： 第一步， 取一薄刀片， 让 聚焦激光脉冲打在 刀口上 ， 向各个方 向溅射出小火星， 刀 口放置在光 纤端面旁边 ， 这样可 以比较 出焦点相对光纤端面 的位 置 。第 二 步 ， 光 纤 端 面 相对 于 透 镜 的距 离 可 通过光 纤 固定 在 二 维 调 节 器 的水 平 位 置 进 行 调 节， 实 现光纤 端 面位于 透镜焦 平 面上 。第 三 步 ， 如 果 焦点 和端 面位 置 相差 较 大 ， 可通 过 调 节 固定 光 纤 的二维调节器来调节光纤在水平方向（ Ｘ 轴） 和 竖直方向（ Ｙ轴 ） 的位置。第四步 ， 为 了确定最佳 的激 光耦合效 率 ， 开启 激光 器正 常 工作 于 １ Ｈｚ ， 在 低 泵 浦 电压 条件 下 输 出较 低 能 量 的激 光 脉 冲 ， 光 纤另一输 出端面下端可放置一 片未曝光 的相纸 （ 对热量极其敏感 ） ， 光纤每输 出一个激光脉冲均 打在 相纸上 形成 一个光 斑 。细微 调节二 维调 节器 来控制光纤端面在水平方 向和竖 直方 向上微变 化， 当发现激 光 打 出的光斑 最显 著时 ， 相 纸碳 化最 严重 ， 这表明激光耦合效率达到最大 ， 焦点恰好位 于光 纤端 面上 ， 然 后 固定二 维调节 器上 调节 螺丝 ， 这样 光纤端面 就 始终位 于透镜 焦 点上且 耦合 效率 最高 。相 纸上外 ， 作为增益介质 的 固体棒 直径 为 １ ０ ｍ ｍ， 激 光 器 谐 振 腔 端 面输 出 的光 斑直 径 约 为 ８ ｍｍ 左 右 。因 此 选 择 直 径 ２ Ｏ ｍ ｍ、 焦距 １ ５ ｍ ｍ的氟化钙材料制作的双凸透镜聚 焦脉 冲 激 光 ， 低 氢 氧根 的大 芯径 光 纤 （ 直 径 为 ２ ０ ０ ， ４ ０ ０ ， ６ ０ ０ ， ８ ０ ０ ｍ） 作为激光 的传输介质 ， 要 将激光脉冲高效率地耦合进光纤 ， 关键是调节光 纤 端 面与 凸镜 焦点重 合 。具 体耦 合步骤 可 以分 为
数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射
发时间在亚皮秒范 围， 在多光子光电子发射和热电 子发射的减少有个 分 割 线， 因为电子的比热远远小 于晶格的比热， 电子 气 在 短 暂 的 时 间 内 不 能 与 晶 格 使 电 子 温 度 超 出 晶 格 温 度 很 多， 这 进行能量耦 合， 样非平衡电子加热 就 变 得 非 常 明 显 了 . 金 属 中 包 含 了很多电子， 特别是在满带能级上 （ 如导带） ， 这些 电子可以 在 金 属 里 面 自 由 运 动 而 不 能 脱 离 金 属. 如果一个 电 子 要 从 金 属 中 逃 逸 出 去， 这个电子需 从 要 的 能 量 大 约 是 1. 5 —6 eV. 在 热 电 子 发 射 中 ， 热碰撞到 逃 逸 金 属 电 子 需 要 足 够 的 能 量. 电 子 的 发射数和相应的热电子发射电流主要依 赖 于 金 属 的温度. 本文数 值 模 拟 了 飞 秒 激 光 加 热 金 属 的 热 电 子 发射， 用 双 温 度 模 型 （ TTM ） 计 算 薄 膜 的 温 度， 用 Richardson-Dushman 方程 估 算 热 电 子 发 射 率 . 结 果 发现电子 热 发 射 对 飞 秒 激 光 照 射 下 的 金 属 靶 材 的 电子温度和晶格温 度 的 变 化 有 着 重 要 的 影 响， 同时 薄膜的厚 度 与 激 光 的 能 量 密 度 直 接 影 响 热 电 子 的
(
)
这里 C 是 热 容，T 是 温 度，G 为 电 子 -晶 格 耦 合 系 数
［ 12 — 14 ］
， 下 标 e 和 l 代 表 电 子 和 晶 格； 热 源 项
S（ x， t） = 槡 4ln （ 2 ） / π （ A α I / t p ）·exp （ － α x － 4ln （ 2 ）
GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟
GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟作者：种润郭绍庆张文扬李柏泓赵梓钧黄帅来源：《机械制造文摘·焊接分册》2022年第01期摘要：为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题，采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。
计算表明，激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程，温度变化速率超过1×105℃/s。
热循环温度峰值超过2500℃，最高达2876℃。
激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。
后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高，先会释放前道沉积形成的应力，随着温度降低会造成更大的应力。
热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。
沉积层残余应力以拉应力为主，高达875MPa，沿沉积方向的应力分量最大。
基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800MPa左右，与其相对应的远处分布有残余压应力。
关键词：镍基高温合金;激光增材制造;有限元;温度场;应力场中图分类号：TG455前言镍基高温合金GH4169（美国牌号Inconel718）在-253～650℃范围内可以保持较高的力学性能、高的耐腐蚀性能、高的抗氧化性能、较佳的焊接性能及较高的疲劳性能，因此在航空、航天、石油管道、核工业等领域具有广泛的应用＼[1＼]。
增材制造技术，从开发设计模型到制造结构功能部件，彻底改变了传统制造业模式，推动下一代工程设计和创新的出现。
增材制造通过降低复杂几何构件的成本并极大提高设计自由度，对许多行业产生了重大影响＼[2＼]。
但是，激光增材制造过程中复杂的瞬态极速冷热循环过程导致热应力的产生，使零件变形甚至开裂，成为制约激光增材制造技术发展的关键问题＼[3＼]。
采用试验方法实时测量增材制造过程中变化极快的温度、应力等重要参数十分困难，因此难以对其进行过程监测及控制。
另一方面，传统的试验试错方法耗时耗力，而且一种材料、一台设备上得到的经验参数通常不能直接应用到其他材料与设备上，使工艺研发成本进一步升高＼[4＼]。
小功率脉冲激光模具修复温度场数值模拟
浙 江 大 学 宁 波 理 工 学 院（ ３ ｌ ５ ｌ Ｏ ０ ）
摘要 利川 建 ● 的Ｉ 岛斯 热源 ｊ 旋转体热源
脉｝ ｌ Ｉ Ｉ 激） 匕 接 修 复 帧 ｌ １ ｌ 的 焊 接 热 过
感 洲 Ｌ — ｔ Ｌ 的 际焊 接 过
李继 强
热源摸， ， ＭＳ Ｃ・ Ｍ ａ ｒ ｃ 有 限元分析软件 『 ｆ １ 分析计算小 功率
属材 料 的熔化 方式 可 分 为传 导型激 光 焊 （ 热 导焊 ） 和深
穿透 激 光焊 （ 深熔 焊 ） 两 种 。许 多学 者 对激 光 深熔 做Ｊ 大 量研 究 ” ， 并建立 ｌ 『激 光 深 熔 焊 焊 接 热 源
模型 ． 在有 限 元 模 拟 巾 得 到 ｒ Ｊ ’ ‘ 泛 的啦 ． 、日 模 具
ｒ
曙掳 生产应用 ． ∥ ／ ／ ／ ． …
小 功 率 脉 冲 激 光 模 具 修 复 温 度 场 数 值 模 拟
哈 尔滨 理 工 大学 材料 学院 （ １ ５ ０ ０ ８ ０ ） 宁 波 金 氏 实 业 有 限公 司（ ３ １ ５ １ ７ ４ ） 刘立 君 金海 平 王 晓鹏
铸模 具 住 使Ｊ ｌ ｝ ｊ 过稃 Ｉ ｌ １ 模』 ＝ ｊ ． 腔 表 丽 受 到 高温 液
态金 属 的冲 刷 和 挤 ， 使 得 模 具 表 温 度迅 速 升 高 Ｌ Ｌ 分布 不均 ， 住模 具表而 产 较 大 的热 应 力 ， 允 型完 成 后 压铸 模冷 却 ， 模 具 表 而这 种 蒯 期 性 的 膨 胀 收缩 导敛 模 具 表 疲 劳 裂纹 的萌 牛 和扩 展 ， 造 成 模 具 火效 ’ 实 际生 产 ・ ｌ １ ， 模具 的制 作 成 本较 高 ， 模具 的使 川 奋命 接 关系 到 业 的， 产成 本 。 此， 如 何 提 高 模 具 的使 、激 光焊 接 技 术
脉冲强激光冲击力学效应的数值模拟
脉冲强激光冲击力学效应的数值模拟
脉冲强激光冲击力学效应的数值模拟是一种具有重要应用价值的研究方法。
它可以用来动力学地模拟瞬间强激光作用对物体表面造成的冲击。
近年来，这种技术用于性能评估，安全性等方面显示出了突出的优势。
为了模拟瞬间强激光作用，必须准确描述物体表面膨胀、加热和形变等力学变化，考虑到它们之间的相互作用以及初始条件等多种因素。
因此，建立良好的模型对于实际应用非常重要。
要构建脉冲强激光冲击力学数值模拟模型，可以使用有限元分析、多项式估计和单元应力等计算技术。
其中，有限元分析是最常用的方法，它能有效描述复杂曲面和复杂变形，精确表征表面变形和加热情况。
而多项式估计方法则可以用来准确预测不同条件下的冲击力学数值模拟的结果。
此外，单元应力技术则可以用来提取高精度的应力和变形值，也可以用来预测瞬时强激光作用产生的表面变形。
在实际应用中，通过结合所有这些方法，可以获得更真实、准确的结果，从而进行脉冲强激光冲击力学数值模拟。
例如，基于有限元分析和单元应力技术，可以准确预言下一次冲击事件可能造成的结构损坏形式；而使用多项式估计则可以更精确地预测不同参数下模型行为的变化。
总而言之，脉冲强激光冲击力学数值模拟是一种高度复杂且具有重要应用价值的研究手段，它可以精确描述瞬间强激光作用
的条件下，物体表面的膨胀、加热和形变等力学变化。
使用有限元分析、多项式估计等计算技术，可以更准确地预测冲击的影响，有助于实现有效的性能评估和安全性等应用。
不同热源模式下铝合金激光焊热力耦合过程的数值研究的开题报告
不同热源模式下铝合金激光焊热力耦合过程的数值研究的开题报告一、研究背景与意义：激光焊接是一种具有高效、高质、无污染的先进加工技术，近年来得到了广泛的应用和研究。
然而，热应力和热变形等问题仍然是铝合金激光焊接中的重要问题。
在不同热源模式下铝合金激光焊接热传导和热力耦合过程的数值模拟研究，对深入了解铝合金激光焊接热应力和热变形机理，提高铝合金激光焊接的质量和效率具有非常重要的意义。
二、研究内容与方案：1、研究目标本研究旨在通过数值模拟的方法，研究不同热源模式下铝合金激光焊接热传导和热力耦合过程，深入了解铝合金激光焊接热应力和热变形机理，提高铝合金激光焊接的质量和效率。
2、研究内容(1)建立铝合金激光焊接热传导数学模型；(2)选取不同热源模式（连续波、脉冲波）策略，模拟铝合金激光焊接过程中热传导和热力耦合过程；(3)分析不同热源模式对铝合金激光焊接热应力和热变形的影响；(4)对数值分析结果进行比较、分析，为优化热源参数提供理论依据。
3、研究方案(1)研究方法：数值模拟法(2)研究软件：ANSYS、COMSOL等有限元软件(3)研究步骤：a.建立铝合金激光焊接热传导数学模型；b.选取不同热源模式（连续波、脉冲波）策略，模拟铝合金激光焊接过程中热传导和热力耦合过程；c.分析不同热源模式对铝合金激光焊接热应力和热变形的影响；d.对数值分析结果进行比较、分析；(4)研究计划：第一年：建立铝合金激光焊接热传导数学模型第二年：模拟铝合金激光焊接过程中热传导和热力耦合过程，分析不同热源模式对铝合金激光焊接热应力和热变形的影响第三年：对数值分析结果进行比较、分析，为优化热源参数提供理论依据三、预期成果：通过本研究，我将深入了解铝合金激光焊接过程中的热应力和热变形机理，为提高铝合金激光焊接的质量和效率提供理论基础。
此外，本研究的成果还可以为相关行业提供参考，推动铝合金激光焊接技术的发展和应用。
四、研究难点：本研究的难点在于建立准确的铝合金激光焊接数学模型，并通过数值模拟的方法，深入了解铝合金激光焊接热应力和热变形机理。
脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟
脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟焦路光;赵国民;陈敏孙【摘要】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.%Ablation effects induced by millisecond pulse laser were investigated by experiment measurement and numerical simulation.The ablation process and temperature rise rule of single aluminum alloy plate were measured under 1053 nm solid pulse laser irradiation.The numerical model of temperature change and ablation process of the aluminum alloy plate was established by using complete jetting ablation model.The numerical results agree well with the experimental results,which proves that the ablation model is effective.The numerical model can extend to three-dimensional situation.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】4页(P799-802)【关键词】激光与物质相互作用;1053nm脉冲激光;烧蚀;数值计算【作者】焦路光;赵国民;陈敏孙【作者单位】军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京 100850;国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙 410073;国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】TN249激光应用的基础是激光与物质相互作用的研究,主要是激光辐照材料、结构物、光学器件、光电探测器和生物体所引起的各种力学、物理、化学和生物学效应[1]。
强激光等离子体耦合效应的数值模拟
第9卷第3期强激光与粒子束V o l.9,N o.31997年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A ug.,1997强激光等离子体耦合效应的数值模拟屠琴芬俞汉清陈志华Ξ(西北核技术研究所,西安69信箱15分箱,710024摘要研究了高强度(1012~1014W c m2,纳秒脉冲(高斯型激光与A l、CH等离子体的耦合效应。
采用一维双温、单流体力学方程组,数值模拟研究激光强度和波长对靶表面能量沉积和对等离子体特征参数的影响。
激光等离子体耦合的主要机制有:轫致辐射、逆轫致辐射吸收、热扩散和电子、离子之间碰撞能量交换。
给出了电子最高温度与光强的近似定量关系。
关键词强激光等离子体耦合效应数值模拟ABSTRACT T he coup ling effect of h igh2in ten sity nano second laser pu lse w ith A l o r CHp las m as are studied u sing the hydrodynam ical equati on s w h ich are one2di m esi onal,doub le2tem2peratu re,single2flu id.T he effects of laser in ten sity and w avelength on energy depo siti on in thetarget su rface and p las m a param etes are num erically investigated.T he m ain m echan is m oflaser p las m a coup ling includes the free2free b rem sstrah lung em issi on,inverse b rem sstrob lungab so rp ti on,the heat diffu ssi on and energy exchange betw een electron s and i on s.T he ap rox i2m ate scales of m ax i m um electron temperatu re give ou t w ith respect to the laser in ten sity.KEY WOR D S h igh in ten sity laser,p las m a,coup ling effect,num erical si m u lati on对垂直入射靶表面的高强度激光的能量沉积过程,以及激光与等离子体的耦合效应进行了数值模拟。
飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟
飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟王志军;贾威;倪晓昌;彭志农;杨丽;王清月【摘要】为了定量分析飞秒激光金属加工中的热影响,基于一个二维的双温模型,采用有限差分法计算了飞秒激光烧蚀金属镍的径向热影响区.提出一种飞秒激光烧蚀热影响区定义,把热影响区定义为两部分,一部分是熔化再凝固区(晶格温度介于相爆炸温度和熔化温度之间的区域),另一部分是热激活区(晶格温度介于熔化温度和热激活温度之间的区域).通过研究表层晶格不同时刻的径向温度分布,得到飞秒激光烧蚀500nm厚金属镍的径向热影响区是160nm.结果表明,飞秒激光加工的热影响区非常小,可以实现对金属材料的超精密加工.并分析了电子热导率和电子比热容对径向热影响区的影响.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(031)006【总页数】3页(P578-580)【关键词】超快光学;热影响区;有限差分;双温模型【作者】王志军;贾威;倪晓昌;彭志农;杨丽;王清月【作者单位】天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言飞秒激光脉冲宽度极短，峰值功率极高，与金属材料相互作用时，首先电子吸收激光能量，在极短的时间内，达到极高的温度，而此时晶格还处于“冷”状态，通过电子-晶格碰撞，电子将热量传递给晶格，晶格温度迅速升高，达到烧蚀温度后喷发出去。
整个烧蚀过程在几个到几十个皮秒内完成，在这么短的时间内，晶格的热传导是非常有限的。
因此，飞秒激光微加工的热影响区比较小，一般情况下，不考虑热影响区。
组合脉冲激光铝等离子体的数值模拟研究
组合脉冲激光铝等离子体的数值模拟研究
赵佳伟;吴涛;廖青;潘子萌;马子琦
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2022(46)6
【摘要】为了获得组合脉冲激光诱导等离子体光谱性能增强的物理机制,基于FLASH程序模拟计算了预脉冲参数对组合脉冲激光诱导的铝等离子体参数时空分布的影响,获得了在不同预脉冲波长和不同预主脉冲延时下产生的铝等离子体电子温度、电子密度和烧蚀质量的空间演化规律。
结果表明,在预主脉冲总能量相同的情况下,随着预脉冲波长从0.266μm变化到1.064μm,高温环境氦气等离子体羽辉的空间范围从0.7cm增大到3.0cm,但组合脉冲对靶材的烧蚀效率严重下降,而铝等离子体的最大电子温度保持稳定;此外,组合脉冲的时间延迟低于100ns。
该研究可为组合脉冲激光诱导击穿等离子体光谱增强技术提供理论参考。
【总页数】6页(P835-840)
【作者】赵佳伟;吴涛;廖青;潘子萌;马子琦
【作者单位】武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O539
【相关文献】
1.计算机数值模拟实验设计Ⅱ——强激光脉冲对低密度等离子体通道中电子的共振加速
2.脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟
3.金属铝靶在纳秒脉冲激光
与连续激光组合辐照下的温度特性研究4.用预脉冲打靶提高强激光吸收效率的模拟计算——激光与等离子体相互作用的理论模拟(Ⅲ)5.脉冲CO_2激光烧蚀锡靶等离子体的数值模拟
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毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应
毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应本文从数值模拟和实验两方面对毫秒级脉冲激光静态辐照和动态扫描脆性材料过程中的温度场和应力场进行了分析,进而就毫秒级脉冲激光对脆性材料的损伤机理,扫描情况下的可控断裂过程,高温情况下脆性材料的塑性转变过程等方面进行了研究。
基于固体热传导理论,建立了轴对称有限元计算模型,对毫秒级脉冲激光静态辐照单晶硅材料过程中的温度场和应力场进行了模拟分析。
热应力场分布规律的分析结果显示激光辐照过程中最有可能在激光辐照区域周围首先出现沿径向发展的裂纹。
根据不同能量密度的波长1064m毫秒级脉冲激光对单晶硅的损伤实验结果,结合热应力的数值模拟结果对损伤机理进行了分析,可知环向应力和径向应力的共同作用导致裂纹沿径向开裂后再趋向环向发展。
建立了三维有限元热弹计算模型,对毫秒级脉冲激光动态扫描脆性板状材料过程中的温度场和应力场进行了分析,并对材料边缘含有裂纹情况下的裂纹尖端的应力强度因子变化情况进行了模拟计算。
计算结果表明,在激光加热区域前后位置存在两个拉应力区,裂纹尖端的应力集中现象诱发材料持续开裂并引导裂纹沿激光扫描方向扩展。
类比于单脉冲激光辐照过程中应力场和温度场对称分布的规律,对双脉冲激光扫描含裂纹的单晶硅片过程中应力场的分布变化情况进行了模拟,并对不同激光光斑间距、不同激光功率情况下裂纹尖端的应力强度因子变化规律进行了分析。
采用热弹塑计算模型,对脆性材料在激光辐照下的塑性转变过程进行了有限元计算模拟,分析了激光辐照过程中热膨胀和热软化对热应力的影响,并对塑性转变过程中的应力释放过程、塑性区域的发展过程进行了研究。
结果显示,激光辐照过程中热软化使塑性区域不断扩大,由于温升变缓,过程中塑性区域的扩大速率随时间减小。
本文的研究结果有助于加深对毫秒级脉冲激光辐照脆性材料过程中的温度场、应力场变化过程的理解,同时为脆性材料的抗激光损伤、激光切割、激光成形提供理论依据和实验支持。
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如 图 １所示 为铜 基镀 有 ＮｉＡｕ薄膜 的反 射镜 结构 简 图． 圆柱 坐标 系 中 ， ／ 在 轴对称 情 况 下 ， 界 以 自然 对 边 流方 式 向温度 为 的环境 散热 ， 对流 换热 系数 为 ｈ， 反射 镜基 板底 面 固定． 当某膜 层厚 度 为 ｄ（ ｚ Ｏ ） ，
关键词 ： 金属膜反射镜 ； 热力耦合 ； 有限元法
中图 分类号 ： ５２２ ０ ３．５
文献标 识码 ： Ａ
在激光 系统 尤其 是高 能激光 系统 中 ， 学 薄膜 的性 能直接 限制 了激 光器 输 出能量 的进 一步 提高 ． 光 随着 高
能量激 光器 （ Ｃ 光器 ） 如 Ｏ 激 的不 断发 展 ， 光学 薄膜 抗 激 光破 坏 的 问题 已越 来 越 突 出 ， 而高 能激 光 与 光学 因
０ ｒ ＜ ｂ， ＜ ｚ＜ ｄ ， ０ ｔ＞ ０．
（ １）
式 中 ， ／Ｃ ａ一 ｌ 称 为导 温系数 ， 表 示基 板介 质密度 ， 为 比热 ， 口 Ｐ Ｃ ｋ为热 导率． 内热源 强度 ｇ ｒ ） 示 为 ： （， 表
ｇ ， 一 —— ｕｘ 一 一 ＬＪ （ ） — ｐ ］ ｒ ， 一— ｅ ［ 之一 Ｌ
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第３ ６卷
第 ５期
自然科 Ｎａ ｕ Ｓ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ 河 南 师Ｎ ｏ ｍａ 报ｉｅｓｔ （ 版 ） ａ ｃｅ ｃ ） ｏ ｒ ａ Ｈ ｅ ａ 大 学学 （ ｒｉ 学 ｔ ｒ ｌ ｉｎ ｅ ｏ ｎ ｎ 范 ｒ ｌＵｎ ｖ ｙ
镜 面半径 为 ｂ ， 吸收激 光能 量形成 的 内热源 强度 为 ｇ ｒ ｚ ￡ ， 么该膜 层温 升分 布应是 下 列瞬态 热传 导 时 若 （ ， ，） 那
方程 的解 ：
篓ａ ＋一 ａ ＋ ａ ＋ ｇ，ｔ 吉 Ｏ ， ｒ 。 ｒ ‘ ’ （ ，一 ｔ ÷ ， ｒ ）口 专 ｚ
． ６ Ｎｏ ５ ３ ．
Ｓｅ ．２ ０８ ｐｔ ０
２Ｏ ０ ８年 ９月
文 章 编 号 ：０ ０ ２ ６ （０ ８ ０ —０ ５ 一ｏ １０— ３７２０）５ ０８ ３
脉冲激光作用下金属反射镜热力耦合数值模拟
罗鹏 晖 彭 玉峰 毕 小群 张 毅 程祖 海。 ， ， ， ，
（． 阳理 工 学 院 电 子 与 电 气工 程 系 ， 南 南 阳 ４ ３ ０ ；． 南 师 范大 学 物理 与信 息 工 程 学 院 ， １南 河 ７０ ５ ２ 河
（ ２）
式， 一 篆＋ — ｕ ｄ＋３“表弹位． 中 警＋ 篱， ｄ＋２ｄ ， 热性移 ａ ａ ａ ａ ｚ ｚ 代 ￣ｕ ｕ 。 ／
收稿 日期 ： ０ ７ １ —０ ２０— ２ ７
基 金项 目 ： 家 重 大 基 础 研 究 计 划 （ ７ 国 ９ ３计 划 ） 资助 课题 （ １２ ） ５ ３ ８ 作者 简 介 ： 玉 峰 （ ９ ３ ）男 ， 南 夏 邑人 ， 南 师 范 大 学 教 授 ， 士 ， 彭 １６ ～ ， 河 河 博 主要 从 事 激 光 物理 与 器 件 研 究
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第 ５期
罗 鹏 晖 等 ： 冲 激 光 作 用 下金 属 反 射 镜 热 力耦 合 数 值 模 拟 脉
２ 有 限 元 数 值 模 拟
在 数值模 拟 中 ， 假定 基板上 过渡层 Ｎ 的厚 度为 ０ １／ Ａｕ膜 厚度 为 ０ ２ ｍ， ｉ ． ｘ ｍ， ． 如图 ｌ 示． 所 为了便 于观 察膜层 问 的热 力耦 合行 为 ， 我们将 重点 研究 过渡层 Ｎｉ 以及 反 射层 Ａｕ的温 度场 分 布 以及 热 应力 分 布． 界 边 与周 围环境之 间采 用 自然 对流换 热方式 ； 射镜基 板底 面 固定 ． 反 激 光脉 冲宽度 为 １ ５ ， ． ｓ 光斑 直径 为 ２ ｍ， ０ｃ 镜体直 径 为 ６ ｒ， 板 （ ｕ 厚度 为 ６ｃ 激光垂 直入 射反 ０ｃ １基 ｉ Ｃ ） ｍ， 射镜表 面 （ ）对 于强激 光金 属膜反 射镜 ， Ａｕ ． 镜面 膜层 （ ） 吸收 引起 的热效 应 占主导 地 位 ， 体 基板 （ ｕ Ａｕ 的 镜 Ｃ ） 的本 征吸收 以及过 渡层 （ ） Ｎｉ对热传 导过 程热源 项 的贡献 均可 以忽略 ． 样 ， 进行 有 限元 计算 时 ， 源项 可 这 在 热
丁∞ ｃ ６ ０
Ａｕ Ｎｉ Ｃｕ
式 中，１ 材料 的吸 收系数 ， ／为 Ｒ，为镜 面 的反 射率 ．
为 了使 分 析 问题 简 化 起 见 ， 里 只 需 考 虑 热 弹性 力 学 中 准 静 态 问 这 题． 这样 ， 有关 的热 弹性 方程 可 以写为
＋ 一
图１ 膜层热传导分析简 图
河 南 新 乡 ４ ３ ０ ； ． 中科 技 大 学 武 汉 光 电 国家 实验 室激 光部 ， 汉 ４ ０ ７ ） ５０７３华 武 ３ ０ ４
摘 要 ： 利用有限元法对单脉冲激光作用下铜基 Ｎ／ ｕ ｉ 反射镜的热力耦合以及温度场分布进行了数值模拟， Ａ
得 出 了在 不 同功 率 的单 脉 冲激 光 照射 下 的 温度 场 和 应 力 分 布 ， 对 脉 冲 功 率 密 度 与 镜 面 最 大 温 升 以及 膜 层 最 大 应 并 力 的关 系 进行 了分 析．
薄膜破 坏机 理 的研究 ， 一直 是激 光工 作者关 注 的热点 问题 ＿ ］ １ ．
本 文采 用 Ａｎ ｙ 有 限元 分析 软件对 脉 冲 Ｃ 高 能激光 器 常 用 的铜 基 金膜 反 射 镜 的热 力 耦 合特 性 进行 ｓｓ Ｏ
数值模 拟 ， 分析在 不 同能量 的单 脉 冲激光 照射 下 的温 度 场 和应 力 分布 ， 以及 脉 冲功 率密 度 与 镜 面最 大 温 升 、