连续激光辐照铝靶材过程的热耦合计算分析

摘要

本文利用有限元的理论，对连续激光对金属材料的热传导过程进行了数值模拟，得到了金属材料的温度场分布和热耦合系数等结果。 根据经典热传导的基本原理，描述了激光对金属的加热过程，从热力学关系和热传导方程出发，讨论了这个过程中靶材温度和其它各状态参量之间的关系，给出了激光与金属相互作用的不同理论模型的加热数值解。 介绍了激光辐照靶材的数学模型下的假设，并利用轴对称的热传导方程和伽辽金法推导了轴对称的有限元的热传导方程的计算方程，并且利用简单的三角剖分，经过线性插值和总体合成，可以求得每一点的温度场。同时，给出了网格划分的方法和时间步长的确定方法。 模拟计算了铝靶材在不同功率连续激光照射下的温度场，并由对温度场的分析结果得到瞬态热耦合系数，并对不同激光功率加载下的瞬态热耦合系数进行讨论。 模拟计算了连续激光加热不同厚度靶材的温度场，并由得到的温度场结果分析得出在已知表面中心温度情况下估算特定厚度靶材不同深度处的温度的公式。 本文的研究结果对激光金属材料加工与应用有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1相关课题研究背景及进展

1.1.1研究背景

1.1.2连续激光(或长脉冲)与物质相互作用研究现状

1.1.3连续(或长脉冲)引起的热烧蚀与烧蚀热研究进展

1.1.4非烧蚀条件下的热应力效应

1.2激光辐照固体靶材的热耦合系数研究进展

1.3本文的工作介绍

2激光加热金属靶材的理论基础

2.1激光加热下物体的温度场

2.2本章小结

3有限元法在温度场分析中的应用

3.1建立有限元方程

3.2区域的剖分

3.3插值函数的确定

3.4单元总体合成

3.5瞬态温度场有限元的求解

3.6有限元方法网格大小和时间步长的选取

3.6.1平面单元、网格大小

3.6.2时间步长的选取

3.6.3数值求解的稳定性条件

3.7本章小结

4连续激光辐照铝材料的研究

4.1热传导理论模型

4.2连续激光加热铝靶的瞬态温度场的数值模拟研究结果及分析

4.2.1激光和材料的参数

4.2.2数值结果及分析

4.3连续激光加载后靶材和靶材不同深度温度的估算

4.4本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

附录