基于激光加热的金属薄板温度梯度场重构

论文摘要

在高超音速飞行器飞行过程中高速气流绕过飞行器表面,由于气体粘性的阻滞作用高速气流会和飞行器表面蒙皮产生强烈摩擦而形成热流密度场,该热流密度场对飞行器表面蒙皮产生热作用从而形成温度梯度场。为研究高速飞行器表面蒙皮材料在温度梯度场下的动力学特性因此需要做结构热试验从而重构出该温度梯度场。在本文中采用金属薄板作为被加热实验件模拟高速飞行器表面蒙皮,采用激光作为结构热试验的加热源。本文针对激光加热结构热试验做了如下的研究工作：1、简介了结构热试验的技术研究历程及现状,分析了结构热试验中所采用的加热方法,详细论述了激光加热的研究现状并与现存结构热试验方法进行分析比较得出以激光作为热源进行结构热试验的优点。2、对激光加热的解析模型进行分析和研究,利用傅里叶热传导定律导出激光加热下材料温度场的解析解模型,并通过分析该解析解得出激光加热中的各参数对温度场影响。3、详细论述了激光加热下得到目标温度梯度场的具体方法,即采用多束激光对实验件分区域扫描加热,并规划激光加热的扫描路径,针对目标温度梯度场采用ANSYS中的子问题优化法对激光加热中的扫描路径、激光光斑半径、激光中心功率、扫描速度以及扫描次数进行优化并根据所得最优参数序列应用ANSYS对激光加热过程进行仿真模拟得到目标温度梯度场,将仿真所得温度梯度场与设定目标温度梯度场相验证以确定所选优化参数序列是否达到要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 结构热试验技术研究历程及现状
• 1.3 激光加热技术研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 激光加热解析模型
• 2.1 激光对物质的热作用
• 2.2 热传导方程及其解析解
• 2.3 激光热源的解析模型及温度场解析式
• 2.4 激光加工参数对温度场的影响
• 2.5 激光加热温度梯度场的数值计算
• 2.6 本章小结
• 3 激光加热的数值模拟方法研究
• 3.1 激光加热数值模拟工具的选择
• 3.2 目标温度梯度场的设定
• 3.3 激光扫描加热的ANSYS模拟
• 3.3.1 定义材料属性
• 3.3.2 单元的选择
• 3.3.3 建立有限元模型
• 3.3.4 建立热源模型
• 3.3.5 边界条件
• 3.3.6 加载和求解
• 3.3.7 求解结果
• 3.4 本章小结
• 4 激光加热参数的最优化
• 4.1 最优化原理
• 4.2 最优化方法
• 4.3 激光扫描路径的规划
• 4.3.1 扫描路径Ⅰ
• 4.3.2 扫描路径Ⅱ
• 4.3.3 扫描路径Ⅲ
• 4.4 ANSYS优化过程
• 4.5 最优化结果和讨论
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢