叠层复合材料微谐振器的瞬态热冲击问题

本项目将研究超短激光脉冲作用下两种典型叠层复合结构的热弹性耦合行为与特性，即多层微谐振器和含有纳米覆盖层的微谐振器。结合理论分析与数值模拟，对叠层复合结构微谐振器的热冲击行为的基础理论和分析方法进行探索，发展一种基于微观理论和准连续介质力学以及非傅立叶热传导理论的研究方法，分析在短脉冲激光作用下，尺寸效应对叠层微谐振器的振动频率、位移振幅、热衰减以及应力与温度场分布的影响，揭示叠层复合材料在热冲击作用下的层间效应机理。

本项目研究了激光脉冲作用和斜坡形热冲击作用下叠层复合结构的热弹性耦合行为与特性，结合理论分析与数值模拟，对叠层复合结构的热冲击行为的基础理论和分析方法进行探索。本项目的主要工作有：.（1）对于表层有金属薄层覆盖的谐振器，研究了薄层在激光脉冲作用和斜坡形热冲击作用下的热弹性行为。根据金属薄膜热传导的电子——声子两步模型及广义热弹性理论，建立了控制方程组，并且采用拉普拉斯变换的方法进行求解。得到了金属薄膜的位移、晶格温度、电子温度和应力，可以明显看到应力波在薄膜中的传播现象，并且分析了薄膜厚度以及激光脉冲和坡形加热的各个参数的影响。.（2）对三层和双层圆板微谐振器的热弹性衰减特性进行理论分析，根据平面应力理论建立其控制方程组，并且考虑简谐振动的情况，求出其振动复频率，最后得出热弹性衰减系数的解析表达式。分析了圆板的半径、厚度、成分体积比、材料选择等因素对热弹性衰减的影响。并且采用商业软件进行数值模拟，把两种结果比较，进一步对理论模型进行分析，提出了简化的理论模型。.（3）分析了双层圆板谐振器在激光脉冲作用和斜坡形热冲击作用下的热弹性行为。首先在柱坐标系中建立双层圆板结构的二维热传导方程对应的格林函数，然后针对激光脉冲作用（非齐次方程）和斜坡形热冲击作用（非齐次边界条件）分别求解其温度场，再把温度场代入到振动方程中，对于所获得的振动方程建立其格林函数，并求解其位移。最后分析了各个参数对温度与位移的影响，温度沿厚度和半径方向的变化，以及位移沿半径方向的变化。.（4）采用商业软件对金属薄板在激光脉冲作用下的热冲击行为进行了有限元模拟。在模拟过程中，把激光束的能量视为热源，建立其表达式，并引入到有限元模型中，计算了铝板的温度与应力的空间分布和时间分布。在模拟中，同时考虑了薄板局部融化的情况，在不同的相态选择不同的比热，从而更合理有效的模拟温度与应力随时间的变化，及其沿厚度和径向的传播过程。