材料在脉冲激光作用下热力响应的SPH模拟

【摘要】： 材料在激光辐照下,沉积能量使材料的温度升高,引起一系列的热力学响应。本文调研了材料在激光辐照下的热力学响应的相关文献,发现它们大多探讨的是强激光对材料的加热引起的熔融、气化以及飞溅的情况。有研究表明,激光辐照产生的一部分灾难性破坏的最终原因却是力学的而不是热熔融。针对这一情况本文就材料受激光辐照但未发生熔融的情况进行了理论分析和数值模拟研究,主要工作如下: 讨论了激光与物质的相互作用,介质对激光的反射和吸收理论,以及激光加热物质的温度场;给出了热力耦合理论的基本方程。在深入研究SPH方法的基础上,应用改进的SPH方法推导了热力耦合的离散公式;编制了直角坐标系下激光辐照热力耦合问题的SPH程序,对初始温度间断以及恒定温度边界热传导效应进行了模拟,对比解析解,得到了一些比较好的结果。进一步模拟了短脉冲激光辐照阶跃升温引起的热应力以及矩形脉冲激光辐照引起的热应力,对热应力波的基本特点进行了分析,讨论了激光功率密度、脉宽对热应力的影响,讨论了热传导方程中热力耦合项对温度和应力的影响。