IMECH-IR  > 高温气体动力学国家重点实验室
强激光辐照典型目标多场耦合效应的实验与数值模拟研究
Alternative TitleExperimental and Numerical Studies on the Multi-field Coupling Effect of Typical Target Irradiated by High-power Laser
黄亿辉
Thesis Advisor余西龙 ; 宋宏伟
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract激光武器是一种利用高能激光直接照射目标从而实现毁伤的定向能武器。激光武器对高速飞行器的毁伤存在着复杂的多场耦合效应,以此为背景我们提炼出三种具有典型意义的破坏效应:激光辐照的热-力耦合效应、来流条件下激光辐照的热-流-固耦合效应和包含烧蚀的激光辐照效应。针对三种破坏效应选取了典型目标作为研究对象,开展了以下工作: 1.激光辐照的热-力耦合效应研究 建立了多物理场同步测量的激光热-力加载实验平台,发展了三维数字图像相关技术,结合红外热像仪,能够对激光辐照过程中的变形场和温度场实现同步测量。开展了激光辐照金属薄板和轴压薄壁圆柱壳热-力耦合屈曲实验研究,结果表明薄板的温度和变形均随激光功率密度线性增长;热软化效应会显著降低轴压圆柱壳的临界屈曲载荷,并改变屈曲模态,临界屈曲载荷随激光功率密度增加快速下降。结合数值模拟,更深入地分析了激光辐照引起的热-力耦合屈曲行为。 2.来流条件下激光辐照的热-流-固耦合效应研究 采用分区求解的方式建立了能够反映流场和结构相互作用的热-流-固耦合数值计算方法,用于研究激光辐照高速飞行器时气流对失效行为的影响,并通过文献中的实验验证了数值模型的可靠性。分析了激光功率密度和来流马赫数对弹体屈服失效和熔融失效行为的影响,结果表明失效辐照时间随激光功率密度增加先显著降低然后变化缓慢;存在一个临界马赫数,使得达到失效所需的辐照时间最长。通过定量分析激光辐照下不同马赫数的气动生热、散热及能量分配,发现临界马赫数是气动加热和气动冷却两种机制竞争所引起的。 3.包含烧蚀的激光辐照效应研究 开展了氮气环境下激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的实验,结果表明主要损伤机制为树脂热分解、纤维升华相变和热-力耦合引起的层间开裂。分析了激光功率密度的影响,发现纤维升华和层间开裂随功率密度增加而加剧;热解层厚度随激光功率密度增加先快速增加然后变化缓慢。分析认为热解层厚度随激光功率密度增加变化缓慢的原因是层间开裂导致激光能量无法向内部传导,大部分激光能量积聚在材料表面,激光能量会以热辐射、热对流或者纤维升华的形式被耗散掉。分析了激光损伤对层合板力学性能的影响,发现存在临界激光功率密度,使得激光能量最能有效用于目标破坏,其主要原因也是层间开裂导致热解层厚度随激光功率密度不再增加引起的。分别针对热分解、升华相变和热-力耦合引起的层间开裂建立了模型进行描述,并将所有模型耦合在一起,建立了能够完整描述碳纤维/环氧树脂复合材料在激光辐照下损伤行为的模型。通过对实验的模拟,验证了数值模型的可靠性,并结合数值模拟结果对损伤机理进行了更深入地分析。对于烧蚀与流场的耦合行为,建立了能够反映因相变烧蚀而引起的质量去除与流场相互作用的热-流-固耦合数值计算方法。利用数值计算分析了超声速切向气流下激光烧蚀平板的过程,发现气动冷却效应不仅对烧蚀有抑制作用,还会改变烧蚀坑的对称特性,主要原因是气动冷却效果在烧蚀坑内呈现严重不均匀分布造成的。随着烧蚀坑的演化,流动由闭式流动转化为开式流动,冷却效应会减弱。
Call Number31215
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55095
Collection高温气体动力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
黄亿辉. 强激光辐照典型目标多场耦合效应的实验与数值模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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