强激光的热与力学效应研究

计算剪应变增量
0 s (t )

( )tr T* ( )tr S 0

1 F e ( ) tr F e ( ) tr 1 2

e tr E ( ) S0


滑移系开动
( )tr >s (t ),
1.0 0.8 0.6
5 K/min 25 K/min 60 K/min


t 1 0 exp t 1 d 0 0
0.0025
Nx/t
0.4
895
比热容
0 200 400
0.3 0
密度
200 400 600 800 1000
890
T(℃)
600
800
1000
1200
T(C)
含退化效应的力学性能
热-力学特性
E1 E f a1 f ， E2 Eb a 2 ， G12 a1 a 1 sl sa 1 sl nl , a 2 a 2 1 f f a exp b 2 1 21 E2
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
①
②
③
激光器系统 ① 与中科大合作研制激光器
实验环境与测量平台
— 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
② 光谱物理Quanta-Ray PRO-350-10
③ IPG光纤激光器YLS-2000-CUT
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
T T0
m bb p p
Cm
含热解效应的能量方程：
c
hg T T (ii ) Qdeco (g g v) t xi xi t z
( g g v) t z
bbCb p pC p bb p p
600 800 1000
-1
-1
-4 -6 -8 -10 -12 -14 0
1.1
200
400
600
800
1000
T(C)
925
920
915
5 K/min 25 K/min 60 K/min

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
c(J/kgK)
910
905
900

0.033K/s 0.1K/s 0.33K/s 1.0K/s 3.3K/s
150
200
60 40 20
(11-1)[1-10] (11-1)[101] (11-1)[011]
60 40
Tau (MPa)
Tau (MPa)
20 0 -20 -40 0 50 100 Time (ns) 150 200
0 -20 -40 -60 0 50 100 Time (ns) 150 200
─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
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
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
背景：Blast simulator
─ 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 ─

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
60 40
Tau (MPa)
(-111)[101] (-111)[110] (-111)[01-1]
20 0 -20
0 -20 -40 -60 0 50 100 Time (ns)
(1-11)[10-1] (1-11)[011] (1-11)[110]
-40
150 200
0
50
100 Time (ns)
— 超弹性本构引入
— 冲击相变的手段与机理解释 单晶铜中的传播
Lee et al (1996)
— 单晶塑性本构的引入
— 强动载下材料塑性变形机制
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
Gary J. Cheng
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
Yiliang Liao, Chang Ye, Dong Lin, Sergey Suslov, Gary J. Cheng .Journal of Applied physics, 2012
2. 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
分析模型实验验证
半峰宽：25ns， 波长：1064nm 计算 plasma 3.44GPa; plasma 23.4ns 实验 plasma 3.54GPa; plasma 22.7ns
祝贺郑哲敏先生90华诞学术报告会
强激光的热与力学效应研究
黄晨光
中国科学院力学研究所
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
Lp
1/2 3 1/2 0
max
Lmax
S g AJ c , S c , h S Y f AJ c , S c , h S S g AJ c , S c , h S
1/2 3 1/2 1/2 0 1/2 3 1/2 1/2 0
细观热物性模型
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 200 400 5 K/min 25 K/min 60 K/min
2 0 -2
0.033K/s 0.1K/s 0.33K/s 1.0K/s 3.3K/s
CCF300/BA9916
孔隙率
(Wm K )
热传导系数
lg ka
T(C)
空中推进
水下推进
激光冲击强化
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
不同环境下的热烧蚀/热解效应
空气环境中
t=0s
氮气环境中
t=2s
t=6s
2.55 MW/m2
6.37 MW/m2
10.2 MW/m2
12.7 MW/m2
两个重要机制：1、热解效应；2、热力耦合引起的脱层
2 3 3 1/2
1/2
c

能量沉积阶段(载荷)
surf Y f pmax / Y , p
Lp S 1/2
max
gp
/ Y , p
S S
1/2
1/2 E , h0 1/2 E , h0
S 1/2 S 1/2
1/2

惯性约束阶段（效应）
surf Y f AJ c 3 , S 1/2 c , h0 S 1/2
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
验证：PDV自由面质点速度与表面形貌
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

surf HEL 0CeuHEL /2
最大值为59.7m/s，对应
513MPa
冲击波压力
热化学、物理、热力烧蚀 复杂烧蚀、损伤 参与烧蚀、影响破坏模式
研究进展概述
含热解的热物性模型 材料本构与强度退化模型 含氧化的移动边界模型 界面分层与界面热阻的统一模型 流热固耦合的计算策略与方法
细观热物性模型
反应动力学方程：
b E B0b n exp( A ) t RT
p p , n , T (t), F (t),s (t) T ( ), F ( ),s ( ) , m , n F(t ),F( ) , m 0 0
确定潜在激活滑移系
F e ( ) tr F( )F p (t),Ee ( )tr
p
b：原始树脂相 p：热解焦炭相 g：热解气体相
b (1 b )(1 ) p
b p g 1
代表性单元方程：
Sb =g1/3
Sp =(1-g )1/3
m =
平均化方程：
f f mm
C C f f f Cm mm
p b



e tr T* ( ) Te ( )tr sign( ( )tr ) sym ( C ( ) S0 )
计算织构
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
60 40 20
Tau (MPa)
(111)[1-10] (111)[10-1] (111)[01-1]
f f mm
b1
S p Sb 1 S p Sb (S p 2 Sb 2 ) m (1 S p 2 ) S p 2 m (1 S p 2 ) m
xx fh f mm
yy 1/ (
f m ) fz m
m b ( )1/2 / b1
压力特征？ 冲击波传播？ 相似律？
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
压力的求解1
— 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
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
压力的求解2
1. 经验的吸收、传播和状态方程
复合材料激光破坏的机制和过程
Flow Laser 等离子体区 气化、燃烧、氧化区 热解区 热软化区
loading
金属目标 能量耦合 传递耗散 结构破坏 来流影响 激光与等离子体
弹性区
碳纤维复合材料目标 复杂的反应产物
均匀介质热传导
物理烧蚀 热软化+载荷 吸收和换热竞争
多相、非均匀

压力：～10GPa 脉宽 ：～10ns 高应变率 ：～106/s
Xianqian Wu, et, al, J. Appl. Phys. 2011,110(5):053112.
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
冲击波的传播
普通结构材料中的传播
—质点速度、冲击波衰减、层裂
— 验证模拟爆炸冲击效应的能力 NiTi合金中的传播
数值模型验证与几何相似律
1. 2. 3.
XQ Wu, et al., J. Appl. Phys. 114, 043105, 2013 XQ Wu, et al., Int. J. Impact Eng. 38(5), 322-329, 2011 XQ Wu, et al., Acta Mech. Sinica. 28, 3, 825-837, 2012
LSP，应变率106~107/s 出现奥氏体 马氏体相变
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
LSP后表面微结构变化：产生位错及形变孪晶
TEM观察到在LSP冲击区域产生了大量的位错和非晶 A B
B A
SEM观察在LSP冲击区出现了大量的形变孪晶
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 ☞ 晶体塑性显式有限元计算方法
Pmax
Pmax =3.84GPa
surf ห้องสมุดไป่ตู้urf umax umax 2 0 (C0 S ) Y0 P 2 2 3
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
pmax
p
c f AJ c , S g AJ c , S c
( )tr
1m
sign ( )tr
更新塑性变形梯度
更新弹性变形梯度，计算T*(τ)
Fe ( ) F( )F p ( )
,n 更新变量 T( ),s ( ) ; m
1
p F p ( ) 1 sign( ( )tr ) S 0 F (t )