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作者：

韦焱斌

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摘要：

随着高能激光武器逐渐走向实战应用阶段,其在攻击速度快,能量集中和费用低廉等优点越来越突出,也逐渐受到各个国家的重视.激光毁伤评估模块是激光武器系统中一项十分重要的组成部分.激光毁伤效能评估可以在作战前预估目标毁伤阈值,模拟毁伤效果.同时可以促进激光武器的改良和设计.在工业应用方面,激光毁伤机理的探索可以加速激光加工等行业的发展.然而目前关于激光对目标的毁伤效能方面的研究还存在一定的不足,因此需要不断探究激光毁伤机理.本文通过金属靶材和碳纤维复合材料靶材两类不同的材料探究激光对目标的毁伤机理,求解靶材受激光辐照下的温度场,使用生死单元法对碳纤维复合材料进行了毁伤模拟,研究了金属靶材的热应力破坏效应,开展了激光辐照两类靶材的毁伤实验.论文的主要研究内容和取得的成果如下:(1)研究了激光毁伤靶材的温度场有限元解.从傅里叶定律出发,通过与有限元理论的结合,推导了温度场的有限元方程.通过热焓法解决了靶材的相变温度求解问题,采用热导率矩阵和比热矩阵的不断迭代更新材料的热物性,获得的温度场更贴近实际情况.(2)进行了金属靶材和碳纤维的温度场建模.建立了金属靶材对激光吸收率模型,考虑热物性随温度变化的因素和熔化相变问题,研究了不同功率密度下铝靶的温升特点.针对碳纤维靶材的热烧蚀现象提出了生死单元法解决了碳纤维表层剥离的问题,更准确地模拟了激光辐照碳纤维复合靶材的温度场.(3)研究了热应力场的有限元解和金属靶材的热应力分布特点.因为温度的分布不均匀,靶材内部热膨胀程度不同,光斑外区域和光斑内区域相互制约形成热应力,同时温度的升高使靶材力学性能下降,从而加剧了激光对靶材的破坏.金属靶材在辐照过程中,热软化效应会不断加剧,其中心区域最易发生塑性变形.(4)开展了激光毁伤金属靶材和碳纤维复合材料的实验.金属靶材在辐照初期会反射出刺眼的亮光,激光烧蚀穿透金属靶材后,靶材孔隙周边有残渣,是熔化后又重新凝固的材料,重力作用下孔隙下方的残渣最多.激光毁伤碳纤维靶材时以烧蚀为主,靶材前表面光斑区域碳纤维更易被烧断,光斑区域周边材料层间分离严重,主要是热应力的破坏和热解的质量损失造成的.

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