基于二维激光支持爆轰波模型的光船工作过程数值模拟

以Raizer建立的一维激光支持的爆轰波模型为基础,根据激光推进中焦点区内入射激光强度的分布情况,建立了二维激光支持的爆轰波模型。在相同的激光入射功率下,分别采用球面激光支持的爆轰波模型、球冠激光支持的爆轰波模型和二维激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,探讨了焦点区内激光强度分布不同时的光船推进性能。结果表明,在吸收相同激光能量的条件下,三种模型所得推力曲线和冲量耦合系数在误差范围内均吻合,说明能量在焦点区的分布对光船推进性能的影响不大。     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

激光冲击残余应力场的有限元分析

建立模拟激光冲击残余应力场的非线性弹塑性有限元模型,预测AISI 304奥氏体不锈钢厚、薄靶材经激光冲击后表面以及内部的残余应力场分布.模拟过程中,考虑材料高应变率(106s-1)下的力学性能和激光诱导冲击波的精确加载,分析激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉宽、激光冲击次数、激光单面与双面冲击等激光冲击参数以及初始残余应力等因素对不锈钢靶材残余应力分布的影响.数值模拟结果与X射线衍射法测量值吻合较好.在有初始残余拉应力(250MPa)存在的情况下,激光冲击仍能使304奥氏体不锈钢靶材形成残余压应力层,说明激光冲击工艺可提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力.     

光船对气液两相介质激光支持爆轰波影响的数值模拟

建立了气液两相介质单脉冲激光支持爆轰波的数值模型,结合光船边界条件,数值模拟爆轰波及其周围流场的演化过程,分析温度、压力、速度场在爆轰波发生时的变化特性和演化形态。研究表明:有无光船边界在30μs前爆轰波发展趋势基本一致。激光作用结束后,焦点范围处温度压力均达到最大,速度继续上升达到最大后逐渐衰减。温度最大值一直在焦点附近,压力最大值则是在激光作用时出现在中心处,激光作用结束后,转移到波阵面上,而速度最大值发生在冲击波波阵面上。光船模型中,冲击波会与壁面发生耦合作用,冲击波的反射与叠加作用使最大温度中心会向外偏移,压力和速度会在壁面与冲击波边沿接触面的两侧处达到最大值,向内侧逐渐减小。      

浅齿轮齿根激光冲击强化试验和仿真研究

为探究激光冲击强化对高强度钢齿轮齿根表面及内部残余应力的影响,使用ABAQUS软件对齿轮齿根进行了激光冲击强化模拟仿真,并通过试验对该仿真模型进行了验证。结果表明,所建立的齿轮齿根激光冲击强化有限元模型可以较好地预测实际激光冲击强化结果,准确揭示激光冲击强化作用规律。同时,根据残余应力分布情况可知,激光冲击强化可使高强度钢齿轮齿根产生明显的残余压应力层,但不同方向残余压应力分布略有不同,平行于齿根路径方向的平均残余压应力大于垂直于齿根路径方向的平均残余压应力。     

狭缝内乙烯/氧气预混气体爆轰几何极限的实验

为研究狭缝内爆轰波传播极限,实验得到了不同初始压力(0.004~0.04MPa)下化学恰当比的乙烯/氧气预混气体在狭缝高度为1.0~4.0mm狭缝内的爆轰性能.采用烟膜板记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面.结果表明:狭缝高度越小,爆轰极限对应的临界初始压力越高.对于近极限条件内不稳定爆轰传播模式,包括"结巴"爆轰和驰振爆轰,其对应的初始压力范围随着狭缝高度的降低而变宽.考虑初始和边界条件,将水力直径与胞格宽度之比作为合理的爆轰敏感性参数描述预混气体爆轰特性,得出在不同狭缝通道内爆轰极限范围为,即该比值在0.326~0.403之间.      

激光冲击在材料成形领域的应用

激光冲击是一种先进的金属材料表面强化技术,显著的强化效果在多种不同金属材料上得到实际验证和普遍认可。为防止激光冲击对精密零部件尺寸产生影响或合理利用激光冲击诱导金属材料的塑性变形以实现成形目的,有必要对激光冲击作用下的材料变形准则进行深入研究。本文分析了激光冲击诱导不同材料的变形规律,基于应力梯度与冲击弯曲等变形机制解释了激光冲击在变形现象中的局限性,提出激光冲击引发材料变形基础研究的必要性,进而总结了激光参数以及冲击方式、约束方式等多因素对激光冲击变形的影响规律,证实多参数调整与优化对控制激光冲击变形量的重要作用。分析了数值仿真方法在激光冲击变形技术研究中的优势,同时提出建立适应高应变率变形的材料本构模型以及完善激光等离子体形成过程模拟。通过激光冲击校形工艺的介绍对激光冲击变形规律在先进制造业中的发展进行展望,并提出了零部件激光冲击校形及其变形量在线监测的研究方向。     

对数值模拟气相爆轰中二阶段化学反应模型再研究

采用改进的高精度时-空守恒元解元算法(the space-time conservation element and solution element method,CE/SE method)和考虑组分的二阶段化学反应模型(Sichel的二步模型)对气相爆轰问题的数值模拟进行了分析.分析发现采用Sichel的二步模型得到的数值结果虽然比早期二阶段化学反应模型(旧二步模型)更接近实验值,但是仍然不能得到爆轰过程准确气体动力学参数.为此通过修改组分的质量分数分布形式对Sichel的二步模型进行了改造,然后采用新的二步模型对平面爆轰波进行了数值模拟.数值结果表明采用新的二步模型计算得到气体动力学参数更接近于实验值和基元反应模型的计算值,在计算精度上有较大提高.     

初始压力和狭缝高度对狭缝内起爆距离影响的实验

为获得狭缝内爆轰波起爆距离(DID)的变化规律,分别在宽度为10mm,高度为1.0,2.2,2.9,4.0mm,长度为1220mm的狭缝爆轰管内对不同初始压力下(5~45kPa)化学当量比的乙烯/氧气混气进行单次爆轰性能实验研究.根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,得到初始压力和狭缝高度对爆轰波起爆距离的影响规律.结果表明:①在初始压力为10~20kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加逐渐缩短;②在初始压力为25~40kPa时,起爆狭缝距离随着狭缝高度变大先降低后增加,在初始压力为45kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加而变长;③综合初始压力和狭缝高度的影响,初步得到起爆距离随初始压力和狭缝高度等参数变化的量纲归一化经验公式.      

多点连续动态激光冲击强化残余应力场数值分析

为了提高激光冲击强化(LSP)数值模拟效率及计算精度,基于传统激光冲击仿真策略,提出了一种连续显式动态冲击仿真策略。使用显式动态分析完成多次冲击,再进行隐式静态分析得到稳定残余应力场;建立ABAQUS三维平板有限元模型,基于该策略研究了多次冲击后残余应力场的分布;Python后处理后,残余应力模拟值与测量值吻合较好。结果表明:当激光功率密度为1 GW/cm2时最大残余应力为-212.5 MPa,其测量均值为-216.7 MPa,误差为1.9%。激光功率密度从1 GW/cm2增加至4 GW/cm2,残余应力层深度由0.7 mm增加至1 mm。验证了该策略的准确性,在大幅度提高仿真效率的基础上有效地提高了模拟精度,为大型结构大面积激光冲击强化数值模拟提供了一种仿真思路。