激光对目标毁伤效能评估

论文摘要

随着高能激光武器逐渐走向实战应用阶段,其在攻击速度快、能量集中和费用低廉等优点越来越突出,也逐渐受到各个国家的重视。激光毁伤评估模块是激光武器系统中一项十分重要的组成部分。激光毁伤效能评估可以在作战前预估目标毁伤阈值,模拟毁伤效果。同时可以促进激光武器的改良和设计。在工业应用方面,激光毁伤机理的探索可以加速激光加工等行业的发展。然而目前关于激光对目标的毁伤效能方面的研究还存在一定的不足,因此需要不断探究激光毁伤机理。本文通过金属靶材和碳纤维复合材料靶材两类不同的材料探究激光对目标的毁伤机理,求解靶材受激光辐照下的温度场,使用生死单元法对碳纤维复合材料进行了毁伤模拟,研究了金属靶材的热应力破坏效应,开展了激光辐照两类靶材的毁伤实验。论文的主要研究内容和取得的成果如下:(1)研究了激光毁伤靶材的温度场有限元解。从傅里叶定律出发,通过与有限元理论的结合,推导了温度场的有限元方程。通过热焓法解决了靶材的相变温度求解问题,采用热导率矩阵和比热矩阵的不断迭代更新材料的热物性,获得的温度场更贴近实际情况。(2)进行了金属靶材和碳纤维的温度场建模。建立了金属靶材对激光吸收率模型,考虑热物性随温度变化的因素和熔化相变问题,研究了不同功率密度下铝靶的温升特点。针对碳纤维靶材的热烧蚀现象提出了生死单元法解决了碳纤维表层剥离的问题,更准确地模拟了激光辐照碳纤维复合靶材的温度场。(3)研究了热应力场的有限元解和金属靶材的热应力分布特点。因为温度的分布不均匀,靶材内部热膨胀程度不同,光斑外区域和光斑内区域相互制约形成热应力,同时温度的升高使靶材力学性能下降,从而加剧了激光对靶材的破坏。金属靶材在辐照过程中,热软化效应会不断加剧,其中心区域最易发生塑性变形。(4)开展了激光毁伤金属靶材和碳纤维复合材料的实验。金属靶材在辐照初期会反射出刺眼的亮光,激光烧蚀穿透金属靶材后,靶材孔隙周边有残渣,是熔化后又重新凝固的材料,重力作用下孔隙下方的残渣最多。激光毁伤碳纤维靶材时以烧蚀为主,靶材前表面光斑区域碳纤维更易被烧断,光斑区域周边材料层间分离严重,主要是热应力的破坏和热解的质量损失造成的。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究工作的背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 激光辐照靶材温度场研究现状
•     1.2.2 激光辐照靶材热应力场研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
•   1.4 本论文的结构安排
• 第二章 靶材受激光辐照破坏规律及有限元法介绍
•   2.1 激光辐照靶材的破坏效应
•   2.2 热传递理论
•   2.3 有限元法
•   2.4 本章小结
• 第三章 激光辐照目标温度场建模及数值模拟
•   3.1 靶材受激光辐照下的温度场基础理论
•     3.1.1 靶材对激光的吸收
•     3.1.2 热传导理论
•     3.1.3 相变问题
•     3.1.4 温度场的有限元法求解
•   3.2 铝靶受激光辐照的温度场数值模拟
•     3.2.1 铝靶的吸收率模型
•     3.2.2 温度场计算模型及相关参数
•     3.2.3 铝板温升结果和变化规律
•   3.3 碳纤维靶材温度场数值模拟
•     3.3.1 激光对碳纤维的毁伤机理
•     3.3.2 基于生死单元法的碳纤维靶材温度场模拟
•   3.4 本章小结
• 第四章 激光辐照靶材的应力分布
•   4.1 应力场的基础理论
•     4.1.1 热应力理论
•     4.1.2 热应力场的有限元解
•     4.1.3 靶材的弹塑性理论
•   4.2 激光辐照靶材热应力分布
•     4.2.1 激光辐照钢板模型及相关参数
•     4.2.2 热应力分布规律与讨论
•   4.3 本章小结
• 第五章 激光辐照靶材实验
•   5.1 实验材料及相关仪器
•     5.1.1 红外热像仪
•     5.1.2 激光功率计
•     5.1.3 其他测量设备
•   5.2 实验方案
•   5.3 实验结果及分析
•     5.3.1 钢板辐照实验分析
•     5.3.2 碳纤维靶材辐照实验分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韦焱斌

导师: 杨春平

关键词: 高能激光,温度场,热应力,有限元,金属,碳纤维

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,社会科学Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,军事,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: E11;TN249

总页数: 58

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