脉冲激光诱导热-应力耦合场的理论与仿真研究毕业论文
2021-11-22 09:11
论文总字数：34127字
摘 要
激光热裂法加工作为一种高效的脆性材料加工手段，近年来发展迅速。其中热弹性应力的研究是热裂法加工的基础，对加工质量起决定性的影响。激光生物组织消融在目前常规外科医学无法完成的手术中也表现出了显著优势。本次毕业论文分别研究了短波长激光诱导非金属材料BaF2和SiO2的温度场和热弹性应力，以及脉冲激光在橙黄G水溶液中诱导产生的温度场和压力波。主要工作总结如下：
1.总结分析了激光在固体和液体中产生热应力波的过程，建立了固体和液体中温度场和应力场的数学模型。
2.使用软件进行计算，评估仿真结果，优化了仿真方法，获得了具有方向性且符合材料力学理论的应力结果。通过非均匀网格密化，使得计算结果更为准确。
3.在固体环境中，当材料演化的热应力超过了材料的抗拉强度就会发生破坏。这一结论与实验具有良好的对应性。在液体环境中，应力的演化过程与实验中拍摄的纹影图片高度一致，可定性认为数值模拟结果是准确的。
4.在液体中，使用更长脉宽释放等量的激光能量，会使压力波的峰值减小，温度和压力波的峰值出现时间延后，溶液在相同时间吸收更多光能时，温度和压力波的峰值会增大，但是峰值时间基本保持不变。
关键词：热裂法；激光空化；热弹性应力；生物组织消融
Abstract
As an efficient processing method for brittle materials, laser thermal crack has developed rapidly in recent years. Among them, the research of thermoelastic stress is the basis of hot crack machining, which has a decisive influence on the machining quality. Laser ablation of biological tissue has also shown significant advantages in the operation which can not be conduced by conventional surgery. In this thesis, In this thesis, the temperature field and thermoelastic stress of BaF2 and SiO2 induced by short wavelength laser, and the temperature field and pressure wave induced by pulse laser in Orange G aqueous solution were studied. The main work is summarized as follows：
1. The process of laser generating thermoelastic stress wave in solid and liquid is summarized and analyzed. The mathematical model of temperature field and stress field in solid and liquid is established.
2. The software is used to calculate, evaluate the simulation results, optimize the simulation method, and obtain the stress results with directionality and conform to the theory of material mechanics. The calculation results are more accurate by non-uniform grid densification.
3. In the solid environment, we think that when the thermal stress of material evolution exceeds the tensile strength of material, it will be destroyed. This conclusion has a good correspondence with the experiment. In the liquid environment, the stress evolution process is highly consistent with the schlieren image taken in the experiment, it can be qualitatively considered that the numerical simulation results are accurate.
4. In the liquid, using longer pulse width to release the same amount of laser energy will reduce the peak value of stress wave, delay the peak time of temperature and stress wave, when the solution absorbs more light energy in the same time, the peak value of temperature and stress wave will increase, but the peak time basically remains unchanged.
Key words: thermal crack；laser cavitation；thermoelastic stress；tissue ablation
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外现状分析 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状分析 3
1.3 研究内容和目标 3
1.3.1 研究基本内容 3
1.3.2 目标与技术方案 4
1.3.3 论文结构 4
第2章 激光与非金属固体物质以及液体物质相互作用理论 5
2.1 激光与物质相互作用热过程理论 5
2.2光热过程诱导产生应力演化过程理论 5
2.2.1 光机械机制中的spallation 5
2.2.2 光机械机制中的fragmentation 7
2.3 非金属固体环境激光诱导热应力耦合场理论 7
2.4 液体环境激光诱导热应力耦合场理论 8
2.5 本章小结 9
第3章 激光诱导热应力耦合场模型与仿真 10
3.1 激光诱导热应力耦合场的数学形式 10
3.1.1 固体环境中热应力耦合场的数学形式 10
3.1.2 液体环境中热应力耦合场的数学形式 10
3.2 激光诱导热应力耦合场方程组的解析求解方法 11
3.2.1 固体环境中热应力耦合场方程组的解析求解方法 11
3.2.2 液体环境中热应力耦合场方程组的解析求解方法 12
3.3 激光诱导热应力耦合场方程组的数值求解方法 13
3.4 激光诱导热应力耦合场方程组的求解代码和软件 14
3.4.1 固体环境中热应力耦合场方程组的求解代码和软件 14
3.4.2 液体环境中热应力耦合场方程组的求解代码和软件 18
3.5 本章小结 22
第4章 仿真结果和现有论文实验对比 23
4.1 短波长激光作用于固体材料的热应力耦合场仿真结果及优化 23
4.1.1 短波长激光作用于固体BaF2的热应力耦合场仿真结果及优化 23
4.1.2 短波长激光作用于固体SiO2的热应力耦合场仿真结果及优化 27
4.2 短波长激光作用于固体材料的热应力耦合场的实验和讨论 29
4.3 脉冲激光作用于液体环境的热应力耦合场仿真结果及优化 30
4.4 脉冲激光作用于液体环境的热应力耦合场的实验和讨论 32
4.5 本章小结 38
第5章 总结与展望 39
5.1 总结 39
5.2 展望 40
参考文献 41
致 谢 45
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
常见的脆硬材料如蓝宝石、石英玻璃等，其传统加工方法往往是机械加工，采用硬质刀具进行切削。这些材料的物理性质与金属不同，其熔点高，脆性大，易崩裂。由于具有上述特性，使得此类材料在加工中稳定性差，传统的切割方法已无法高质量的满足产品生产需求[1]，因此需要寻求高效的现代加工方法解决问题。
激光加工作为一种高效的加工方法，在目前的制造业中得到广泛应用。激光加工主要可分为两种，一种是激光熔融切割材料，一种是激光热裂法。两种的方法的主要区别在于激光功率和材料受热升温程度，前者功率高，材料吸收光能瞬间发生较高温升，材料达到熔点或沸点，发生熔化或汽化，后者激光功率较小，材料未达到熔沸点，但材料内部形成了很高的温度梯度，产生了较大拉应力，从而拉裂材料。
其中激光热裂加工是激光加工脆硬材料的一种高效手段[2]，其原理是使用激光照射材料诱发温度梯度，从而产生热应力，当热应力超过材料强度极限时，会产生开裂，此裂纹的延展方向随激光的行进方向，这使得热裂纹控制加工形状成为了可能。激光热裂加工采用的光源为脉冲激光，其脉冲宽度小，经过聚焦后高峰值功率有效区域小，因此减小了热影响区域。从理论上而言，这种方法为硬脆材料的加工提供了新思路[3,4,5]。
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