激光辐照下圆板热力耦合动力响应研究.pdfVIP

强度与环境2000增刊1 激光辐照下圆板的热力耦合动力响应研究 郝志明 陈裕泽 郁向东 莫 军 (中国工程物理研究院结构力学研究所．绵阳，621c帅0) 文摘从KircI】l-dl大挠度薄板理论与Ve,nMises热弹塑性本构关系出发，导出了热弹塑性大变形 运动方程，井结合有限元法研究了高斯和均匀分布两类激光束作用下圆板的热力耦合动力响 应。指出激光引起结构的响应中，材料性能变化是不可忽略的；圆板的破坏形式依赖于光束的 空间分布，高斯分布在光斑中心首先破坏，均匀分布在光斑边缘附近首先破坏，在一定条件下可 发生反冲塞破坏，在相同能量输人下，均匀分布比高斯分布更易造成圆板破坏，但两者均是正应 力为主的拉压破坏。同时指出，可利用等效应力与当前温度下屈服应力的比值与规定值的比较 建立结掏失效准则．该比值还可用于判定结构首先失效部位。 关键词激光圆板弹塑性动力响应。 l 引言 强激光作用于金属靶，可导致材料和结构的失效，按不同的激光功率密度，失效现象呈 不同的模式，对于低功率长脉冲激光，结构热应力破坏是重要因素_l。 激光辐照下，结构响应包括两个方面，一方面，导致结构瞬态温度变化；另一方面，结构 内瞬态温度分布的不均匀又将引起结构中的力学效应(包括结构内材料性能变化)，且力学 效应又会改变结构中的传热条件，因此，两者是耦合的。文[3]的研究表明，在热动力问题 中，特别是热冲击问题，热力耦合效应往往是不可忽略的，须把热传导与运动方程联立求解， 才能准确的分析结构的温度场与应力场。以往的研究多是基于热弹性或热刚塑性模 型L201415．6J，用小变形理论进行分析，忽略了热力耦合效应中最为重要的因素，温度对材料性 能的影响，有较大的局限性。本文考虑温度对弹性模量、屈服应力、工作硬化参数的影响，从 Von Mises各向同性热弹塑性本构关系出发，用Kirchhoff大挠度薄板理论导出了圆板热弹塑 性大变形运动方程，并结合有限元分析研究了高斯分布与均匀分布激光束辐射下圆板的响 应，并指出了反冲塞效应的破坏机理。 i·’ 2耦台热传导与运动方程 研究半径R，厚为h的圆板在轴对称分布激光束辐照下，耦合的热传导和热弹塑性弯曲 运动问题。 赫志明．男，i965年10月生．博士研究生，中物院结构力学研究所，(621900)四川绵阳919信箱401分箱。 收祷日期：1999—12—30 —261 2．1热传导方程 若圆板边界等温．耦合瞬态热传导方程可表示为 严万2 ) L¨(·) 严a万T=a(雾+上等+舅)+(爱瓦OT+警a瓦Tr1l再+一瓦+孬J+l瓦瓦+瓦瓦J 式中p，c，A，分别表示密度、比热、导热系数及热交换系数，r，=是径向与横向坐标变量，u，7／) 表示径向位移和挠度。作用在上表面的热流为q(r)(激光功率密度)，方程(1)中右边第二括 号是质量迁移引起的对流项，即热力耦合项。 2．2 热弹塑性大变形运动方程[7】 采用克希霍夫(Kirchhoff)大挠度薄板理论，计人中面位移go的薄板大挠度关系有 “=u。一：等 (2) 考虑非线性位移一应变关系 6，。万+iI瓦Je，：碧+专(等)2 ～“’(3a) E目：{ (3b) 对于热弹塑性问题，将总应变分解成弹性应变、塑性应变和热应变 q=e；+￡；+4- (4) 其中弹性应变应满足 q=D州(r)￡☆ (5) 将(4)式代入(5)式，对于轴对称问题(假设初始温度为o) E，=南(“一咖)+口r