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热能沉积作用下板的力学响应与失效的若干问题

尹益辉  
【摘要】: 本文以强激光光学系统的研制设计和强激光与目标系统相互对抗中目标结 构的易损性评估为需求牵引,针对强激光辐照于材料或结构引起的高温和高温 升率加热特点,实验研究了在快速加热下LY12铝合金和H62黄铜的力学特征量 对温升率的依赖性,理论和数值模拟研究了几种薄型结构元件在强激光辐照下 的静态非线性变形规律、动态响应规律和失效机制,并讨论了相关热弹性问题 力学模型的数学求解方法,主要内容和结果包括: (1)使用Gleeble 1500热力模拟实验系统,分别研究了经历不同温升率而到达 各种试验温度-目标温度的两种热处理初始态的LY12铝合金和H62黄铜的拉伸 特性和变形特点,分别研究了在不同预载水平下LY12铝合金和H62黄铜在以不 同温升率快速加热过程中的响应与破坏,并对这两种金属试件断口附近的金相 组织进行了分析。研究结果表明:①在以一定温升率加热到一定目标温度后进 行拉伸的实验中,当目标温度低于材料的回复和再结晶温度时,温升率对材料 拉伸性能几乎没有影响,当目标温度高于材料的回复和再结晶温度时,温升率 对材料拉伸性能具有明显影响,主要表现为在相同目标温度下材料的屈服极限 和断裂极限随温升率的提高而明显下降。②在预拉载荷下的热冲击实验中,在 相同预载水平下,温升率越高则材料发生断裂时的温度就越高。对两种金属的 微观分析表明高温升率下材料微观组织结构的热失配造成的材料内部的残余微 应力场对试件的破坏过程具有控制作用,温升率越高,这种附加残余微应力场 的作用越大,当它大至一定程度时,就引起微缺陷萌生和扩展,形成宏观裂纹。 (2)利用有限Hankel变换,导出了周界等温并受到一种特殊的位移-力约束的 弹性圆薄板在激光束辐照下的轴对称热力耦合弯曲振动解;以铝板等为参照进 行了解析和有限元计算和分析,结果指出:①热力耦合效应对圆板热弹性振动 的振幅和周期都具有一定的影响,其程度与材料的性能参数如弹性模量和热膨 胀系数等有关,弹性模量和热膨胀系数越大的材料,其中热力耦合效应的作用 就越明显。②薄板振动过程中的横向质量惯性效应与薄板厚径比密切相关,当 厚径比足够小时,板的振幅可能大于拟静态弯曲挠度,而当厚径比足够大时, 板的动态变形与静态变形相差很小。 以热弹性问题的数学模型为原形,提出并证明了一类非齐次线性微分方程 组的积分解法,并以求解受激光和横向力联合加载圆厚板的轴对称弯曲问题作 为该方法的应用实例,由此给出了考虑挤压效应、旋转惯性效应和剪切变形效 应时厚板动态弯曲的挠度和横截面转角公式。结果表明运用该定理求解相应的 问题具有规范、简明的特点。同时,这里导出的厚板弯曲运动的挠度和转角公 摘要与目录 式可在进一步的理论计算和分析中使用。 基于最大剪应力理论,分别建立了短脉冲激光辐照下光学膜层发生迎光剥 落破坏和薄片发生反冲塞破坏的空间轴对称理论模型,导出了光学膜层界面脱 粘和迎光剥落的近似激光功率密度闭值条件和薄片反冲塞的近似激光功率密度 阂值条件,给出了光学膜层剥落区半径与激光及膜层参数的关系式。以时空都 为Gauss分布的短脉冲激光辐照单层ZrO:膜层为例进行了膜层剥落理论计算, 所得结果和文献中相应的实验结果一致。以空间均匀分布的亚毫秒级脉冲激光 辐照铜薄片为例进行了薄片反冲塞理论计算,给出了激光功率密度闭值随薄片 厚度线性增加的关系,得到了与文献中相应实验结果基本一致的薄片反冲塞破 坏的激光功率密度闭值数据。这两个空间轴对称理论模型及其各自的结果表明 脉冲激光辐照下膜层发生迎光剥落和薄片发生反冲塞的机制是:光学膜层在轴 向快速热膨胀惯性力作用下首先发生界面脱粘,然后光学膜层或薄片在轴向快 速热膨胀惯性力作用下发生轴向凸起运动、引起垂直剪应力,平面热膨胀引起 挤压应力、加剧凸起及弯曲变形,最后在弯曲变形状态下膜层中的垂直剪应力 和挤压应力导致材料沿最大剪应力面发生剪切滑移,滑移区在己有轴向速度下 飞离。 (3)考虑材料参数的温度相关性和薄板弯曲的几何非线性,忽略变形总势能中 的第二应变不变量,导出了热力联合作用下圆板的拟静态轴对称大挠度弯曲变 形的位移型控制方程;利用伽辽金方法,求出了板的弯曲挠度和中面径向位移 的一般近似解以及轴对称热力屈曲临界条件。针对空间均布和GauSS型分布激 光束辐照的情况,采用理论和有限元法计算了板中心挠度wc随辐照时间(或温 升)及横向力的变化,讨论了板材弹性模量和热膨胀系数不同时,板中温度矩桥、 温度膜力尸:和材料参数(弹性模量三泊松比户和热膨胀系数a)的温度相关性对 挠度的影响规律及温度场与横载联合对圆板大挠度弯曲变形的作用机制,图形 显示了这些效应随温度径向分布的变化,结果表明热软化和温度矩的梯度效应 十分明显。另外,针对均布横向载荷和均匀加热情况,分别通过文中理论公式 和采用ANSYS程序计算得到了圆板的轴对称跳跃规律和板的屈曲临界挠度一


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