[发明专利]一种激光烧蚀碳纤维靶材温度场的计算方法

说明书

本发明公开了一种激光烧蚀碳纤维靶材温度场的计算方法，涉及激光毁伤效应研究领域，步骤如下：1.根据碳纤维靶材形状等厚分层，划分网格单元；2.令激光作用时间t＝0，设定时间间隔Δt，根据碳纤维靶材热物理参数，对单元施加初始条件和边界条件；3.令t＝t+Δt，解算所有单元的各向异性材料三维热传导瞬态方程，计算经过时间t后靶材温度场；4.若存在温度超过碳纤维靶材汽化阈值温度的网格单元，则将该单元按元序剥离法“汽化”，并将其对应的边界条件加载到下一层单元，再执行步骤5；5.遍历网格单元：判断是否存在下一层单元，若是，则调整靶材热物理参数并更新边界条件和初始条件，再执行步骤3；否则该时间和该温度场就是激光毁伤碳纤维靶材的特征参数。

技术领域

本发明涉及激光毁伤效应研究领域，具体涉及一种激光烧蚀碳纤维靶材温度场的计算方法，用于计算高能激光毁伤碳纤维靶材实时温度场和烧穿时间。

背景技术

近年来，高能激光武器毁伤无人机等目标已经成为一个研究的热点，其中，激光毁伤的数值计算在激光武器摧毁无人机的战前预估和战时监测具有十分重要的作用。国内外对于激光辐照靶材的研究主要针对金属壳体进行研究，对于纤维增强复合材料特别是激光辐照碳纤维复合材料的研究还较少，而无人机所用的材料主要由碳纤维复合材料组成。碳纤维复合材料主要有碳纤维和树脂基体组成，碳纤维是复合材料的主要承载相，树脂基体与复合界面主要起均布载荷和传递载荷的作用。在高功率密度激光辐照下，树脂基体会在低温下发生热解，燃烧，汽化和烧蚀。碳纤维属于无机纤维，在高温下易发生氧化，汽化等现象。这些特性都会使复合材料的结合性能降低，进而导致复合材料弹性模量和机械性能的下降。并且，树脂基体材料的热解造成的质量损失，以及复合材料由于温度场产生热应力的存在会导致碳纤维复合材料及其结构提前破坏。

碳纤维复合材料对于激光的吸收属于面吸收，激光辐照初期，该材料靠自身热容吸热升温，在到达树脂基体热解温度前，该材料中的热传递方式主要是热传导。在温度到达树脂基体热解温度时，树脂基体开始吸热发生热解，树脂基体分解生成挥发性的气体并留下惰性的多孔焦炭。当温度超过某个温度，树脂基体的热解反应基本结束，只留下多孔焦炭，而此时碳纤维还没有发生变化，但有一定的软化效应。当温度到达碳纤维靶材的汽化阈值温度时，碳纤维开始汽化。因此，在计算激光烧蚀碳纤维靶材的三维温度场分布以及烧穿时间时，应考虑到碳纤维靶材的热物理参数(包括密度、热传导系数、比热等)随温度变化的因素，同时考虑被烧蚀掉的表层在整个靶材(全部的网格单元为三维的多层温度场模型)被剥离的影响。

目前，针对计算激光烧蚀碳纤维靶材的温度场和烧穿时间的方法及其缺陷主要有：

1.只考虑碳纤维靶材一个切面的温度场分布，将这个切面的温度场分布通过旋转360°从而得到整个碳纤维靶材的三维温度场分布。这种方法已经默认了碳纤维靶材为各向同性的材料，但实际上碳纤维靶材在纤维方向和垂直纤维方向的热物理参数是各不相同的，为各向异性材料。

2.在整个温度场模拟过程中，把碳纤维靶材的各个热物理参数当成常数处理。但碳纤维靶材在整个激光烧蚀过程中，其自身的热物理参数都是在实时变化，它的比热和热导率也会随温度的变化而不断变化。所以这种处理方式会造成计算出来的温度场与实际的温度场有较大的误差。采用先计算二维温度场在旋转360°、将碳纤维靶材热物理参数当成常数的计算方法，其背部温度场与真实测量值相差一倍以上。

3.没有根据碳纤维靶材层层剥离的特点，模拟激光辐照面前移的情形。这种处理方式会导致碳纤维靶材上表面本来已经被烧蚀掉的材料继续参与传热，激光还是辐照在已经被烧蚀掉的材料上。这种方法会使碳纤维靶材上表面出现极高畸形的温度，而这个上表面的材料已经汽化掉了。采用传统三维温度场计算方法直接忽略畸形温度的存在，会让本该已经被烧蚀掉的表层继续参与传热，使得计算烧穿时间比实际烧穿时间要长。

发明内容