强激光辐照复合材料结构烧蚀破坏的理论与实验研究

通过理论分析、实验测试与数值模拟，研究强激光辐照复合材料结构的作用机理，确定各种相态的边界与临界值，建立温度和应力分布模型；研究复合材料结构在强激光辐照下的烧蚀反喷规律。具体内容为：基于光谱测温和微传感测温及应变测量技术，完成复合材料结构在强激光辐照下的响应测试；建立用于描述强激光辐照下复合材料结构加热、膨胀、熔融、分解烧蚀等机理模型，获得各种状态的阈值参数；利用多场分析方法与数值模拟技术，对强激光作用下复合材料结构响应进行分析模拟，并与实验相结合，形成复合材料结构强激光作用的具有理论意义和工程参考价值的破坏机理模型与分析方法；通过实验与分析，研究复合材料结构激光辐照下的烧蚀反喷规律，确定其对于结构损伤破坏的影响。项目的理论、方法与实验结论将不仅具有理论价值，而且对激光加工制造、发展抗激光导弹等具有重要意义。

激光辐照结构表面，结构被加热、熔融分解、烧蚀、气化，导致结构失效或破坏。激光武器的发展已经对导弹构成威胁，本研究涉及其力学基础问题，对激光加工理论与应用也具有参考价值。主要内容及结果：.针对碳纤维复合材料与铝合金薄板在连续强激光辐照下的受热升温、烧蚀及结构的热、力破坏问题，首先研究了激光辐照引起材料局部升温的温度场分布规律；在此基础上，考虑材料物理力学性能参数随温度变化，分析并测试材料结构的应力应变，评估强激光作用下材料的破坏规律；分析轴压薄壁圆柱壳在局部激光辐照下的屈曲破坏规律。具体包括：.(1)激光辐照下复合材料及铝合金结构的温度分布规律。.完成在激光辐照下的温度测量、模拟计算以及验证对比。激光辐照复合材料及铝合金结构，温升率大、温度高，材料性能在过程中变化大，且碳纤维复合材料有各向异性，同时还存在激光辐照引发的化学反应和物理喷射，确定温度场的三维分布成为非常重要且困难的问题。试验将复合材料及铝合金制作成不同厚度的板材，改变主要参数，测试板材正反面温度，数值模拟了温度场分布并进行对比验证，为分析激光对材料的作用效应提供了最重要的基础数据与计算依据。.(2)激光辐照下复合材料及铝合金结构破坏过程测试与分析。.复合材料结构受激光加热后膨胀，材料性质随温度变化，结构局部受热产生应力应变是较低功率密度激光和中等功率密度激光作用初始阶段的主要特征。研究给出了层合板局部在激光辐照下不同位置及各层的应力变化规律，揭示了烧蚀破坏的现象及其产生的原因。.(3)激光辐照下复合材料及铝合金试件的破坏测试。.通过实验测试与数据拟合，得到了T300/AG80、T700/603及铝合金材料试件破坏时间与预加载荷、激光功率密度以及试件厚度的关系。复合材料层合板试件预加拉伸载荷的破坏时间远远大于预加压缩载荷的破坏时间。破坏时间与预加载荷呈线性关系，破坏时间与激光功率密度呈指数关系，破坏时间与厚度呈二次函数关系。为复杂状态下的失效预测提供了依据。.(4)轴压薄壁圆柱壳在局部激光辐照下的屈曲失效破坏规律。.测试并模拟局部激光辐照下轴压薄壁圆柱壳的屈曲失效；当光斑半径小于某个临界值时，薄壁圆柱壳只产生局部熔穿而不发生整体坍塌；得到了圆柱壳坍塌时所吸收的激光辐照能量与轴压载荷、光斑半径之间的关系。为准确预测轴压薄壁圆柱壳在局部激光辐照下的屈曲破坏提供了理论和实验依据。