一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的方法与流程

1.本发明属于机械工程领域，具体涉及一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的方法。


背景技术：

2.激光诱导等离子体冲击波与金属材料作用，对金属材料进行表面改性，可以提升金属零部件的抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀等性能，广泛应用于航空航天等领域，其原理是采用短脉冲、高功率密度的激光穿过约束层辐照金属表面的吸收保护层，吸收保护层吸收激光能量在短时间内气化膨胀，生成高温高压等离子体，由于等离子体受到约束层的限制，产生的高压冲击波向金属内部传播，使金属发生塑性变形，从而起到强化作用。近年来由于计算机技术的飞速发展，有限元理论被应用于激光冲击领域，为建立激光冲击工艺参数数据库节约了大量的人力、物力和财力。
3.当前激光冲击有限元模拟中激光诱导等离子体冲击波的压力估算模型大多采用fabbro模型，该模型是基于激光能量随空间为平顶分布、随时间为高斯分布的激光提出的一维预测冲击波峰值压力的模型，对于随时间和空间均为高斯分布的激光，目前没有峰值压力的计算方法和相应的压力模型，限制了高斯激光在激光冲击实际工程中的应用。测试高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的难点在于1.无法直接准确测试激光诱导冲击波的峰值压力；2.难以获得激光诱导冲击波的传播规律，只能通过多普勒粒子速度仪等工具测试冲击波与材料作用中材料背表面的自由粒子速度。因此迫切需要提出一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力并获得压力模型的方法。为高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力数据库的建立节约实验和时间等成本。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本发明提出了一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的方法，该方法采用实验测试和有限元模拟相结合的方法获得纳秒脉冲激光诱导冲击波的峰值压力，进一步获得压力估算模型。
5.本发明是通过以下技术方案来实现的：
6.一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的方法，包括以下步骤：
7.s1：采用激光多普勒粒子测速仪测试不同平均功率密度i
i
下纳秒脉冲激光诱导冲击波作用在不用厚度d
i
下材料背表面的自由粒子速度，得到材料背表面自由粒子速度随时间的变化规律；
8.s2：根据步骤s1中材料背表面自由粒子速度随时间的变化规律，使用高压下粒子速度与压力的关系计算激光诱导等离子体冲击波的峰值压力，作为峰值压力的初始值；
9.s3：建立该材料在冲击波作用下的有限元模型，其材料的动态本构模型考虑材料的高应变率效应，边界条件与实验相同，冲击载荷为步骤s2中计算的初始峰值压力，获得材料背表面与步骤s1中实验测试相同部位的粒子速度；
10.s4：以步骤s1中自由面粒子速度的实验结果为优化目标，步骤s3中冲击波边界条件的峰值压力为优化变量，步骤s2中的峰值压力为初值，对峰值压力进行迭代优化，使有限元模型计算得到的粒子速度与实验结果相同，此时的冲击波峰值压力p就是纳秒脉冲激光诱导产生的冲击波峰值压力；
11.s5：根据步骤s1、s3和s4获得不同材料厚度，不同激光功率密度下纳秒脉冲激光诱导冲击波的峰值压力，拟合峰值压力与平均激光功率密度的关系，建立激光诱导等离子体冲击波的峰值压力模型，进而实现预测不同参数条件下纳秒脉冲激光诱导等离子体冲击波的峰值压力。
12.本发明进一步的改进在于，高斯纳秒脉冲激光为激光随时间和空间均为高斯分布。
13.本发明进一步的改进在于，平均激光功率密度i
i
的选择值均包含于区间[1.88gw/cm2,4.71gw/cm2]。
[0014]
本发明进一步的改进在于，吸收保护层为黑胶带或铝箔，约束层为等离子水。
[0015]
本发明进一步的改进在于，材料的平面尺寸为35
×
35mm，材料厚度的选择值d
i
均包含于区间[0.5mm,1mm]。
[0016]
本发明进一步的改进在于，材料厚度的选择值d
i
均包括0.5mm和1mm。
[0017]
本发明进一步的改进在于，根据金属材料物理和力学性能参数建立有限元模型。
[0018]
本发明进一步的改进在于，不同激光功率密度诱导等离子体冲击波峰值压力，通过有限元软件外接子程序进行定义和加载。
[0019]
本发明进一步的改进在于，实验和仿真相同部位的粒子速度，这个区域的范围为直径200μm圆形区域。
[0020]
本发明进一步的改进在于，峰值压力模型表达式为：p＝a
×
i
b
，p为高斯激光诱导冲击波的峰值压力，i为平均激光功率密度，a和b为需要拟合的系数。
[0021]
本发明至少具有以下有益的技术效果；
[0022]
本发明通过激光多普勒粒子速度实验和有限元计算，获得高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力及压力估算模型，即可提高高斯激光冲击有限元模拟的精度，为优化激光冲击工艺参数和建立工艺数据库提供方便，节约人力物力财力。
附图说明
[0023]
图1为本发明的操作流程图；
[0024]
图2为高斯纳秒脉冲激光诱导等离子体冲击波作用靶材背面自由粒子速度测试原理图。
具体实施方式
[0025]
下面结合具体的附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0026]
参见图1，本发明获得高斯纳秒脉冲激光诱导等离子体冲击波的峰值压力及压力估算模型，包括以下步骤：
[0027]
s1：采用激光多普勒粒子测速仪测试不同参数条件下纳秒脉冲激光诱导冲击波作
用在不用厚度钛合金背表面的自由粒子速度，获得钛合金背表面自由粒子速度随时间的变化规律；钛合金试件尺寸为35
×
35
×
0.5mm和35
×
35
×
1mm，约束层为水，吸收保护层为黑胶带和铝箔，激光能量为2
‑
8j可调；
[0028]
s2：根据步骤s1中的钛合金材料参数，使用高压下粒子速度与压力的关系计算激光诱导等离子体冲击波的峰值压力，作为峰值压力的初始值；
[0029]
s3：建立钛合金薄片在冲击波作用下的有限元模型，模型尺寸与实验相同，采用钛合金的高应变率动态本构模型，边界条件与实验相同，采用对边固定，冲击载荷为步骤s2中计算的初始峰值压力，获得材料背表面与步骤s1中实验测试相同部位的粒子速度；
[0030]
s4：以步骤s1中自由面粒子速度的实验结果为优化目标，步骤s3中冲击波边界条件的峰值压力为优化变量，步骤s2中峰值压力为初值，对峰值压力进行迭代优化，使有限元模型计算得到的粒子速度与实验结果相同，此时的冲击波峰值压力就是纳秒脉冲激光诱导产生的冲击波峰值压力；
[0031]
s5：根据步骤s1、s3和s4获得不同参数条件下纳秒脉冲激光诱导冲击波的峰值压力，拟合峰值压力与激光参数的关系，建立激光诱导等离子体冲击波的峰值压力模型。
[0032]
步骤s3中建立钛合金薄片在激光诱导等离子体冲击波作用下的有限元模型还包括以下步骤：
[0033]
s21：根据金属材料物理和力学性能参数建立有限元模型；
[0034]
s22：对步骤s2和步骤s3中获得的不同激光诱导等离子体冲击波峰值压力，通过有限元软件外接子程序进行定义和加载。
[0035]
结合附图1和图2进行说明步骤s1中高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波作用钛合金背表面自由粒子速度测试原理及传感器的布置和步骤s4中载荷的迭代优化；
[0036]
如图2所述，激光1透过约束层2辐照在吸收层3上，吸收层3与激光1相互作用，使吸收层3在短时间内吸收大量激光能量，吸收层3气化产生高温高压等离子体4，等离子体4由于受到约束层2的限制，产生的高压冲击波向材料5中传播，材料5被夹具6对边夹持固定在实验台上，当纳秒脉冲激光诱导的冲击波传播到材料5背面时，自由粒子以速度u运动，被传感器7测得其速度信号，可获得材料5背面的自由粒子速度随时间的变化规律，传感器7位于试件背面的中心处，传感器中心与激光中心在同一条直线上。
[0037]
高斯激光诱导冲击波作用下钛合金薄片的动态响应有限元模型中，与实验测试相同，载荷施加在冲击面中心。载荷的初始值a为步骤s2中计算的峰值压力，得到模型背表面与实验测试相同区域的自由粒子速度，用模拟中的粒子速度与实验值对比，若两者相同，则输出载荷作为该参数激光诱导冲击波的峰值压力；若两者的速度不同，当实验值大于模拟值时，载荷增加初始值的50％，即1.5a，若实验值依然大于模拟值，则继续增加增量的150％，即2.25a，若实验值小于模拟值，则减小增量值的50％，即1.25a，重复整个过程，直到模拟值和实验值相同，结束载荷的迭代优化。用相同的方法获得不同参数激光诱导冲击波的峰值压力。
[0038]
综上所述，本发明采用实验测试高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波作用钛合金薄片背表面的自由粒子速度，根据背表面自由粒子速度，用有限元结合材料的高应变率本构模型反向辨识获得高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波的峰值压力及压力估算模型，进而提高高斯激光冲击数值模拟的精度。