7卷 第11期 第1005年11月 2
强激光与粒子束
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Vol.17,No.11
,Nov.2005
文章编号:()001-4322200511-1660-05 1
激光辐照下静止及旋转充压柱壳结构变形
的对比分析
*
袁 红, 赵剑衡, 谭福利, 孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳6)21900
分析了柱壳可能发 摘 要: 采用3维实体单元模拟激光辐照下静止及旋转充压柱壳的应力和应变分布,生破坏的位置和条件。通过对计算结果的分析表明,对于激光辐照下静止及旋转充压柱壳,裂纹都有可能在光斑边缘附近产生。但由于在旋转充压柱壳上,在过光斑中心圆周上有高应力带状区域,因此旋转柱壳有可能在这一环带区域也发生破坏。在相同的激光加载条件下,静止充压柱壳更容易在局部区域开始发生破坏。 关键词: 激光; 充压柱壳; 应力
246 文献标识码: 中图分类号: TN A
在激光加工、材料改性、结构成型等方面应用 激光辐照热力耦合效应是近年来非常令人关注的研究课题,
十分广泛。在这些应用中,很多问题都涉及到移动光斑问题,本文重点考虑激光辐照预内压圆柱壳体的热力耦合问题。激光辐照下充压柱壳局部受热,受辐照区的壳体材料会发生热软化,使材料的强度降低,在光斑区中
1～6]
都开展了实验心或边缘处产生裂纹,进而发生热破坏。针对激光辐照静止充压柱壳的问题,以往许多文献[7,8]
。本文考虑了材料参数随温度变化,在热弹和数值模拟研究,而对激光辐照旋转充压柱壳的问题报道不多[
性范围内,用有限元方法计算了激光辐照下旋转充压柱壳的结构变形和应力应变场。通过对激光辐照下静止及旋转充压柱壳的结构变形和应力应变场的对比分析,探索静止状态和旋转状态下充压柱壳的热破坏形式,从而加深对破坏机制的理解。
1 计算方法及模型
1.1 激光热源的处理及解耦算法
这种情况可看作是在壳壁上激光辐照区有一热流输入,是一个耦合热弹塑 激光辐照于旋转圆柱壳的侧面,
3]
。在数值模拟中将激光的辐照处理成热流边界条件。假定激光在空间为高斯分布,即性动力学问题[
22
/()(1I(r)=Iexrr-2p0)p
式中:rr为光斑内任意一点到光斑中心的距离,I0为光斑区的半径,p为激光辐照的峰值功率密度。
本文所考虑模型的破坏并不是激光一加上去就立刻发生,而是经历了一个s量级的时间尺度。 实验发现,
因此这里认为热加载不是很快,可忽略惯性项的影响,把原来问题当成是热静力学的问题处理。假定可以忽略体力和热力耦合项,这样,原来的问题变为分别求解热传导问题和热静力学问题。1.2 计算模型
壁厚为2mm,柱长为160mm,00mm。 充压柱壳内径为Ф
激光辐照静止充压柱壳时,由于有两个对称面,故选取模型的/如图1所示。而旋转充压柱壳只有一个与轴线垂直14来分析,
的对称面,计算时采用1/2对称模型。本文计算采用八节点六面体实体单元。激光光斑直径为Ф20mm,功率密度为1000W
,对静止及旋转充·c35,内压为10MPam-2,吸收率为α=0.压柱壳加热时间分别为0.。旋转柱壳的旋转频率为f5s和6s。计算时忽略了热辐射和热对流,环境温度为2=20Hz0℃。
Fi.1 Asimlifiedandmeshedmodelforcalculationgp
图1 简化的计算模型
2005-07-21;2005-10-25*收稿日期: 修订日期:
基金项目:国家863计划项目资助课题
作者简介:袁 红(,女,博士研究生,从事激光与物质相互作用研究。1977-)
第11期袁 红等:激光辐照下静止及旋转充压柱壳结构变形的对比分析
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假设忽略壳体端部对中部的影响,在端面上将产生等效拉力F=p/2rh,其中p是内压,rhcc是柱壳的内半径,是柱壳的壁厚。在求解受力时,根据简化模型施加相应的对称边界条件,对于旋转柱壳还需施加轴向的旋转角速度。
2 材料参数
33
,泊松比ν=0.常温下密度ρ/0CrMnSiA钢,7.75×10km3。本文采用双线性等 充压柱壳的材料为3g0=
向强化模型,材料的热物理参数及力学参数见参考文献[]。9
3 计算结果和分析
3.1 温度场的数值结果
对静止柱壳加热0.5s及对旋转柱壳加热6s后的温度分布云图。 图2给出了在激光参数相同的条件下,
我们这样做是因为在这种条件下静止及旋转柱壳在热影响区具有可对比的温度场。
))Fi.2 Temeraturedistributionofstaticalshellafterirradationfor0.5s(aandthatofrotationalshellafterirradationfor6s(bgp
图2 加热0.)和加热6s后旋转柱壳的温度云图()5s后静止柱壳的温度云图(ab
3.2 充压柱壳的受力结果及分析
见图1)上静止充压柱壳壳体内、中、外面AB(5s后过光斑中心O点的柱面母线O 图3表示在激光辐照0.
的环向应力分布及轴向应力分布。图4表示在激光辐照6s后过光斑中心点的柱面母线上旋转充压柱壳壳体内、中、外面的环向应力分布及轴向应力分布。图5给出在激光辐照1s后静止充压柱壳过光斑中心圆周内、中、外面的环向应力和轴向应力分布。图6给出过光斑边缘点A(见图1)圆周内、中、外面的环向应力和轴向应力分布(光斑中心及A点均在0处)。图7给出在激光辐照6s后旋转充压柱壳过光斑中心圆周内、中、外面º见图1)圆周内、中、外面的环向应力和轴向应力分布的环向应力和轴向应力分布。图8给出过光斑边缘点A(处)。(初始时刻光斑中心及A点均在0º
在母线方向,静止充压柱壳在激光光斑边缘附近外表面有最大环向应力值,同时内表 从图3～4中看出,
面有最大轴向应力值。旋转充压柱壳在激光光斑边缘附近环向应力最大值出现在内表面,轴向应力最大值出现在光斑中心的外表面。静止充压柱壳在光斑边缘的最大环向应力高于旋转充压柱壳对应位置的最大环向应力,但在光斑中心处旋转充压柱壳的最大轴向应力值高于静止充压柱壳对应位置的最大轴向应力。在静止和旋转两种情况下破坏都有可能在光斑边缘处产生。
)()()afterirradiationfor0.5sFi.3 CircumferentialstressaandaxialstressbofstaticshellalonAB(ggO图3 静止柱壳沿母线的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
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强激光与粒子束
第17卷
)()()afterirradiationfor6sFi.4 CircumferentialstressaandaxialstressbofrotationalshellalonAB(ggO图4 旋转柱壳沿母线的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
()()Fi.5 CircumferentialstressaandaxialstressbofstaticshellalonirclethrouhpointOggcg
图5 静止柱壳过光斑中心圆周的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
()()Fi.6 CircumferentialstressaandaxialstressbofstaticshellalonirclethrouhpointAggcg
图6静止柱壳在光斑边缘圆周的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
()和图6()可以看出,静止柱壳在过光斑中心O点圆周上的应力分布与过光斑边缘A点圆周的aa 由图5
应力分布相同点在于,外表面在相对应位置(圆周上±4处)环向应力都为极大值。从图5()和图6(看出,0ºbb)静止柱壳在过光斑中心圆周与过光斑边缘圆周的轴向应力分布则有所差异,过光斑中心圆周在圆周±4处外0º表面有最大轴向应力而过光斑边缘圆周在对应位置内表面轴向应力最大。从图7～8可以看出,旋转充压柱壳在过光斑中心外表面圆周的环向应力在光斑辐照区有较大起伏,过光斑中心外表面圆周有最大应力分布区如图7(),在其他圆周上受力较均匀,这主要是因为在旋转条件下除激光辐照区温度场均匀外,施加的内压也b内表面有应力极大值。图中曲线微扰是均匀分布的。旋转充压柱壳在过光斑边缘A点圆周的应力分布均匀,是因为计算效率未能选取最优时间步长所致,这一问题将有待解决。
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()()Fi.7 CircumferentialstressaandaxialstressbofrotationalshellalonirclethrouhpointOggcg
图7 旋转柱壳过光斑中心圆周的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
()()Fi.8 CircumferentialstressaandaxialstressbofrotationalshellalonirclethrouhpointAggcg
图8 旋转柱壳在光斑边缘圆周的环向应力分布()和轴向应力分布()ab
4 结 论
对激光辐照下静止及旋转充压圆柱壳的应力场分布进行了有限元数值模拟。 本文仅在热力解耦的前提下,
受激光辐照的旋转柱壳因为自身旋转使得加热面积增大而温升大大低于静止柱壳。在数值结果的基础上,对比分析激光辐照下静止及旋转柱壳的应力场的差异得到如下结论:(在过光斑中心的柱壳母线上,在激光光1)斑边缘附近,静止柱壳外表面有最大环向应力,同时内表面具有最大轴向应力,而旋转柱壳内表面具有最大环向应力,旋转柱壳在光斑中心外表面具有最大轴向应力。无论静止柱壳还是旋转柱壳,它们在轴向方向受力平衡。()在过光斑中心的圆周上,静止柱壳在光斑边缘附近内表面具有最大的环向应力,同时外表面具有最大2轴向应力。旋转柱壳除光斑辐照区域受力分布近似均匀,外表面在光斑边缘附近的环向应力和轴向应力最大。()在过光斑边缘的圆周上,静止柱壳在光斑边缘点内表面环向应力为极大值而外表面轴向应力为极大值;旋3
转柱壳在这一环带区域受力分布近似均匀,内表面具有最大环向应力和最大轴向应力。(对于静止柱壳,在4)光斑中心及边缘附近有应力极大值,破坏可能最先在这些区域的外表面发生;对于旋转柱壳,在过光斑中心的圆周上外表面轴向应力分布均匀且应力值为最大,这说明在过光斑中心的外表面环带区域将有可能最先发生破坏。()在相同激光辐照条件并具有相同内压时,静止柱壳将首先在局部区域发生破坏。5参考文献:
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androtationinlindershellsirradiatedblasergcyy
,,,YUANHonHAOJian-henu-liUNChen-wei Z TANF Sggg
(InstituteoluidPhsics,CAEP,P.O.Box919-113,Mianan21900,China)fFyyg6
:,bstractenalaserbeamirradiatesaclindershelltheirradiatedareabecomessofterandtheclindershellwillbede- A Whyy,stroed.Inthispaera3-Dsolidelementwasadotedtosimulatethestressesofinternallressuredstaticandrotationalclin-yppypydershellsirradiatedbaser.Itwascontrastivelnalzedbumericalsimulationthatthecrackinitiatedfromthebeamsotylyayynp,edeatbothstaticandrotationalclindershells.Inadditionthefractureoccurredsimultaneousltthewholeoutercclegyyaythrouhthebeamcenteroftherotationalclindershell.Itisconcludedthatthestaticclindershellwillbedestroedmoreproba-gyyyblttheconditionofthesamelaserpower.ya
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