留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

彭国良 闫辉 刘峰 杜太焦 王玉恒

彭国良, 闫辉, 刘峰, 杜太焦, 王玉恒. 纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟[J]. 中国光学, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
引用本文: 彭国良, 闫辉, 刘峰, 杜太焦, 王玉恒. 纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟[J]. 中国光学, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
PENG Guo-liang, YAN Hui, LIU Feng, DU Tai-jiao, WANG Yu-heng. Numerical simulation of laser ablation of fiber-reinforced composite materials[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
Citation: PENG Guo-liang, YAN Hui, LIU Feng, DU Tai-jiao, WANG Yu-heng. Numerical simulation of laser ablation of fiber-reinforced composite materials[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

doi: 10.3788/CO.20130602.0216
基金项目: 

激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(No.SKLLIM1102)

详细信息
    作者简介:

    彭国良(1985—),男,湖北大冶人,硕士,助理研究员,2006年于清华大学获得学士学位,2009年于西北核技术研究所获得硕士学位,主要从事强激光效应的理论和数值模拟方面的研究。E-mail:pgl02@163.com;闫 辉(1987—),男,陕西宝鸡人,研究实习员,学士,2010年于南京大学获得学士学位,主要从事激光与物质相互作用的理论与数值模拟方面的研究。E-mail:yanhui20133@126.com

    通讯作者: 彭国良, E-mail:pgl02@163.com
  • 中图分类号: TG156.99

Numerical simulation of laser ablation of fiber-reinforced composite materials

  • 摘要: 考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明:考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明:热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。
  • [1] PARKAR Z,MANGUN CH. Ablation characteristics of an aromatic thermosetting copolyester/carbon fiber composite[J]. J. Composite Mater.,2012,46:1819-1830. [2] ZHANG ZH Y. Thermo-mechanical behavior of polymer composites exposed fire[D]. Virginia:Balcksburg,2010. [3] BAHRAMIAN A R,KOKABI M. Ablation and thermal degradation behaviour of a composite based on resol type phenolic resin: process modeling and experimental[J]. Polymer,2006,47:3661-3673. [4] 陈敏孙,江厚满.切向空气气流对激光烧蚀碳纤维复合材料过程的影响[J]. 光学 精密工程,2011,19(2):482-486. CHEN M S,JIANG H M. Influence of tangential airflows on process of laser ablating carbon-fiber composites[J]. Opt. Precision Eng.,2011,19(2):482-486.(in Chinese) [5] 徐斌,伍晓宇,罗烽,等.0Cr18Ni9不锈钢箔的飞秒激光烧蚀[J].光学 精密工程,2012,20(1):45-51. XU B,WU X Y,LUO F,et al.. Ablation of 0Cr18Ni9 stainless steel films by femtosecond laser[J]. Opt. Precision Eng.,2012,20(1):45-51.(in Chinese) [6] TARASENKO V F,PANCHENKO A N,BULGAKOVA N M,et al.. Formation of microstructure on liquid metal surface under nanosecond laser ablation[J]. Chinese Optics,2011,4(1):46-52. [7] 陈林柱.蜂窝复合材料的激光烧蚀效应实验研究[M].西安:西北核技术研究所,2010. CHEN L ZH. Experiment Research of Laser Ablation Effect of Honeycomb Composite Material[M]. Xi'an:Northwest Institute of Nuclear Technology,2010.(in Chinese) [8] 常新龙,李正亮,胡波,等.碳纤维/环氧树脂层合板的激光烧蚀特性分析[J].红外与激光工程,2011,40(9):1691-1695. CHANG X L,LI ZH L,HU B,et al.. Analysis of carbon/epoxy laminates ablation subject to laser irradiation[J]. Infrared and Laser Eng.,2011,40(9):1691-1695.(in Chinese) [9] 汤文辉,冉宪文,徐志宏,等.强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究[J].航天器环境工程,2010,27(1):32-34. TANG W H,RAN X W,XU ZH H,et al.. Numerical simulation of high intensity laser ablation of materials[J]. Spacecraft Environment Eng.,2010,27(1):32-34.(in Chinese) [10] 李雅娣,张钢锤,吴平,等.炭纤维/环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算[J].固体火箭技术,2008,31(3):262-265. LI Y D,ZHANG G CH,WU P,et al.. Numerical calculation for ablation of carbon fiber/epoxy resin laminated composites under continuous laser irradiation[J]. J. Solid Rocket Technology,2008,31(3):262-265.(in Chinese) [11] SEMAK V V. Modeling of laser charring and material removal in fiberglass material[J]. J. Directed Energy,2006,2:5-21. [12] GRIFFIS C A,MASUMURA R A. Thermal response of graphite epoxy composite subjected to rapid heating[J]. J. Composite Materials,1981,15:427-442. [13] ZIENKIEWICZ O C,TAYLOR R L. The Finite Element Method:Fluid Fynamics[M]. 5th ed. Beijing:Tsinghua University Press,2007.
  • [1] 王艳茹, 冉铮惠, 丁宇洁.  二维线性调频Z变换用于光束质量β因子计算 . 中国光学, 2020, 13(5): 1-10. doi: 10.37188/CO.2020-0079
    [2] 卢腾飞, 张凯宁, 吴志军, 刘永欣.  椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性 . 中国光学, 2020, 13(2): 323-332. doi: 10.3788/CO.20201302.0323
    [3] 文康, 李和章, 马壮, 高丽红, 王富耻, 李文智.  光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究 . 中国光学, 2020, 13(5): 1-9. doi: 10.37188/CO.2020-0022
    [4] 程思扬, 曹琪, 包建勋, 张舸.  中高体积分数SiCp/Al复合材料研究进展 . 中国光学, 2019, 12(5): 1064-1075. doi: 10.3788/CO.20191205.1064
    [5] Chang-bin ZHENG, Jun-feng SHAO, Xue-lei LI, Hua-long WANG, Chun-rui WANG, Fei CHEN, Ting-feng WANG, Jin GUO.  Femtosecond pulsed laser induced damage characteristics on Si-based multi-layer film . 中国光学, 2019, 12(2): 371-381. doi: 10.3788/CO.20191202.0371
    [6] 王飞翔, 郭杰, 许方宇, 张雨辰, 陈双远, 肖建国, 贾钰超, 罗宏, 赵志军.  不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量 . 中国光学, 2019, 12(4): 843-852. doi: 10.3788/CO.20191204.0843
    [7] 董丽丹, 魏长平, 李中田, 汪凤明.  纳米壳聚糖复合材料的制备与性能研究 . 中国光学, 2018, 11(5): 773-778. doi: 10.3788/CO.20181105.0773
    [8] 薛军, 冯建涛, 马长征, 宋斌文, 郭伟, 彭鹏, 孙汝剑, 朱颖.  激光冲击强化对激光增材TC4钛合金组织和抗氧化性的影响 . 中国光学, 2018, 11(2): 198-205. doi: 10.3788/CO.20181102.0198
    [9] 吴迪, 王续跃.  氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究 . 中国光学, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
    [10] 李文智, 韦成华, 高丽红, 马壮, 王富耻, 吴涛涛.  散射光信号与石墨-二氧化硅激光辐照烧蚀阈值的关系 . 中国光学, 2016, 9(6): 642-648. doi: 10.3788/CO.20160906.0642
    [11] 齐光, 王书新, 李景林.  空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计 . 中国光学, 2015, 8(1): 99-106. doi: 10.3788/CO.20150801.0099
    [12] 齐立涛.  真空条件下不同波长固体激光烧蚀单晶硅的实验研究 . 中国光学, 2014, 7(3): 442-.
    [13] 汤伟, 吉桐伯, 郭劲, 邵俊峰, 王挺峰.  高重频CO2激光损伤HgCdTe晶体的数值分析 . 中国光学, 2013, 6(5): 736-742. doi: 10.3788/CO.20130605.0736
    [14] 王英帅, 周颖, 王珺楠, 邵丹, 孙允陆, 李晶, 董文飞.  金纳米棒核/二氧化硅壳纳米复合结构的可控制备及细胞成像 . 中国光学, 2013, 6(5): 743-749. doi: 10.3788/CO.20130605.0743
    [15] 王智.  基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计 . 中国光学, 2012, 5(6): 590-595. doi: 10.3788/CO.20120506.0590
    [16] 刘炳强, 李景林, 王书新, 高明辉, 孙斌, 伞兵.  高体分SiCp/Al复合材料螺纹性能的测试 . 中国光学, 2011, 4(6): 576-582.
    [17] TARASENKO V F, PANCHENKO A N, BULGAKOVA N M, SHULEPOV M A, TEL'MINOV A E, 李殿军, 张来明, 姜可, 谢冀江.  纳秒激光烧蚀下液态金属表面微结构的形成 . 中国光学, 2011, 4(1): 46-52.
    [18] 李威, 郭权锋.  碳纤维复合材料在航天领域的应用 . 中国光学, 2011, 4(3): 201-212.
    [19] 李世明, 李殿军, 杨贵龙, 邵春雷, 郭汝海.  大功率TEA CO2激光器旋转火花开关电极烧蚀实验 . 中国光学, 2009, 2(3): 263-268.
    [20] 沈兆国, 张萍.  一种掺钕光纤激光器与倍频技术实现的数值模拟 . 中国光学, 2008, 1(1): 105-111.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  1558
  • HTML全文浏览量:  34
  • PDF下载量:  715
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-12-13
  • 修回日期:  2013-02-13
  • 刊出日期:  2013-04-10

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

doi: 10.3788/CO.20130602.0216
    基金项目:

    激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(No.SKLLIM1102)

    作者简介:

    彭国良(1985—),男,湖北大冶人,硕士,助理研究员,2006年于清华大学获得学士学位,2009年于西北核技术研究所获得硕士学位,主要从事强激光效应的理论和数值模拟方面的研究。E-mail:pgl02@163.com;闫 辉(1987—),男,陕西宝鸡人,研究实习员,学士,2010年于南京大学获得学士学位,主要从事激光与物质相互作用的理论与数值模拟方面的研究。E-mail:yanhui20133@126.com

    通讯作者: 彭国良, E-mail:pgl02@163.com
  • 中图分类号: TG156.99

摘要: 考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明:考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明:热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。

English Abstract

彭国良, 闫辉, 刘峰, 杜太焦, 王玉恒. 纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟[J]. 中国光学, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
引用本文: 彭国良, 闫辉, 刘峰, 杜太焦, 王玉恒. 纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟[J]. 中国光学, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
PENG Guo-liang, YAN Hui, LIU Feng, DU Tai-jiao, WANG Yu-heng. Numerical simulation of laser ablation of fiber-reinforced composite materials[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
Citation: PENG Guo-liang, YAN Hui, LIU Feng, DU Tai-jiao, WANG Yu-heng. Numerical simulation of laser ablation of fiber-reinforced composite materials[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
参考文献 (1)

目录

    /

    返回文章
    返回