高能连续激光与外力载荷联合作用于铝合金的理论和实验研究

摘要

自激光被发现以来，由于其具有普通电磁波所不具备优点，被广泛的用于工业加工、医疗教育、国防军事领域。一方面当试件局部受到强激光辐照时，激光辐照区域温度迅速上升，造成材料的热-力学性质发生剧烈的变化，使得材料发生热软化、熔融乃至气化喷溅;另一方面由于材料弹性模量、屈服强度随温度升高逐渐降低，激光辐照区域进入塑性屈服阶段，并且随着辐照时间增大，屈服区域逐渐向试件内部扩大，对材料造成应力损伤。当工件被夹紧或飞机导弹在高速飞行时，试件会时刻处于外载荷预加载的情况，为了实际应用情况相符合，本文对高能激光与外加拉力联合作用铝合金靶材的问题进行了理论和实验研究。
　　(1)基于热传导理论、热-力耦合理论和弹塑性理论建立二维物理模型，应用有限元方法对受单向拉伸载荷作用的铝合金板材在高斯分布的连续激光辐照下的温度场、应力场和出现等效应力极小值的时间进行研究。在数值计算中考虑材料性质的非线性和相变情况，本文首先研究了有/无外加载荷对塑性屈服时间、材料破坏机制的影响，接着研究了联合加载时激光功率密度、外加拉力和试件厚度与塑性屈服开始时间和出现等效应力极小值的时间的关系。
　　(2)对1060和6061铝合金进行无激光辐照的单向拉伸实验，得到材料厚度、宽度对单轴拉伸时试件的断裂过程、断裂位移、断裂形貌、塑性屈服点和最大断裂载荷的影响。选取6061铝合金进行联合加载实验，记录了从外力加载到激光辐照直至试件完全断裂的外力载荷随位移的变化曲线，研究了联合加载时材料破坏的机制、激光辐照中心区域的温升情况、试件断裂所需激光辐照时间、试件断裂部位的形貌，研究了激光功率密度、外加载荷的大小以及试件厚度的变化对试件断口形貌、中心区域温升、试件断裂破坏所需的时间的影响。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无外载荷加载的情况下激光辐照靶材的理论研究

1．2．2 有外载荷加载的情况下激光辐照靶材的理论研究

1．2．3 无外载荷加载的情况下激光辐照靶材的实验研究

1．2．4 有外载荷加载的情况下激光辐照靶材的实验研究

1．3 本文的主要工作

2 铝合金受激光与外力载荷联合作用的温度场和应力场的基础理论

2．1 引言

2．2 铝合金受激光辐照与外加载荷联合作用时温度场的基础理论

2．2．1 热传导基本理论

2．2．2 热焓-空隙法处理相变问题

2．2．3 有限元法求解温度场分布问题

2．3 铝合金受激光辐照与外加载荷联合作用时应力场的基础理论

2．3．1 热应力基本理论

2．3．2 求解热应力场的有限元法

2．3．3 材料屈服后续发展的弹塑性理论

2．4 本章小结

3 连续激光与外加载荷联合作用铝合金板材的理论研究

3．1 引言

3．2 激光与外载荷联合作用靶材的物理模型

3．2．1 二维理论模型

3．2．2 激光和材料参数以及外载荷的参数

3．2．3 激光辐照与外加载荷联合作用铝合金板材时的耦合顺序

3．3 激光辐照与外载荷联合作用铝合金板材的理论研究结果

3．3．1 无外载荷情况下激光辐照铝合金的计算结果

3．3．2 有外载荷情况下激光辐照铝合金的计算结果

3．3．3 激光和外载荷参数对温度场和应力场的影响

3．4 小结

4 连续激光与外加载荷联合作用铝合金板材的实验研究

4．1 无激光辐照的铝合金单向拉伸实验

4．1．1 1060铝板无激光辐照的单向拉伸实验

4．1．2 6061铝合金无激光辐照的单向拉伸实验

4．2 连续激光辐照下6061铝合金单向拉伸实验

4．2．1 厚度2mm的6061铝合金板激光-外载荷联合加载实验

4．2．2 厚度3mm的6061铝合金板激光-外载荷联合加载实验

4．2．3 厚度4mm的6061铝合金板激光-外载荷联合加载实验

4．2．4 预载荷一定的条件下厚度对激光-外载荷联合加载实验的影响

4．3 结论

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献