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《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2019年
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强激光辐照7075铝合金热响应与尺度律关系研究

李成龙  
【摘要】:现实条件下,由于受试验设备、实验耗费和实验场地等条件的限制,许多实验无法在原尺寸模型下开展,只能开展少量实验做定性研究,而规律性的研究要基于大量实验数据的积累。原尺寸模型的等效缩比模型可以根据实际试验条件来缩比到合适的尺寸来开展实验研究。因此开展热响应尺度律的研究,探讨目标结构热力响应及其毁伤的缩比关系,不仅可以对强激光辐照下的热损伤机理进行高效的研究,而且对于许多工程上的问题具有重要的实际意义。本文开展了不同尺度律激光加热效应仿真和实验研究,主要从以下几个方面展开:建立了激光加热不同尺度律铝合金板的等效缩比模型。通过经典的傅里叶热传导方程和相似理论,得到了原型和模型各自的温度场分布方程。对比力学问题等效缩比规律发现,传热问题与力学问题中时间项的等效缩比规律发生矛盾,所以得出热传导与力学结构不同时满足等效缩比规律。这里单独讨论材料热响应与尺度律之间的影响规律。联合原型和模型的温度场微分方程,运用相似理论推导出在传热问题上等效缩比模型中常见的物理量之间的比例关系,为后续建立仿真模型提供了理论支持。通过COMSOL Multiphysic有限元仿真软件对不同尺度律铝合金板进行数值模拟仿真。仿真过程中物理场选取“固体传热”,将激光以面热源的方式加载到铝合金表面,边界条件分为绝热条件和对流传热、热辐射两种情况,激光功率、光斑半径和辐照时间按照理论推导的等效缩比模型参数设置,然后对各尺度律模型进行温度场计算求解。通过数值计算得到了绝热边界条件下和对流传热、热辐射边界条件下不同尺度律铝合金板的温度分布,之后将温度场作为载荷,对各模型的应力分布和位移场进行求解。结果显示边界条件为绝热条件下,各尺度律模型在等效辐照时间内温度场分布相同,温升速率一致;边界条件为热对流和热辐射情况下,在等效辐照时间过后,各尺度律模型温度分布出现差异,尺度律较小的模型温升速率更快,最终温度值越高。应力分布正比于模型温度场温度差,热膨胀位移场与尺度律成反比。对仿真模型进行实验验证,开展激光辐照不同尺度律铝合金板的温升实验。实验结果与仿真结果相比具有很好的相似性,验证了仿真模型的合理性和正确性。对于出现实验结果整体小于仿真结果的温度差异,从材料参数、激光吸收率和实验环境三个方面给出了误差来源的分析。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TG146.21;TN249

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