激光作用下硅材料的热应力分析

论文摘要

利用激光加工硅材料可以保证加工的精度和效率的同时大大提高加工的环保性,因此也日益为人们所重视和采用。当激光作用在硅材料表面时,加工经常会遇到硅材料热应力变形、损伤等问题,本文主要研究的正是激光辐照下硅材料的温度与热应力问题。针对激光辐照硅材料的温度分布和热应力分布问题,论文在分析热传导理论的基础上,对非稳态温度场下硅材料的温度分布和应力分布进行解析求解,并根据初始条件、边界条件以及热弹性方程,分别对一维、二维和三维非稳态温度场下激光照射硅材料时产生的温度分布与应力分布进行了解析求解。论文在热传导理论的基础上,建立了激光辐照硅材料过程中的热分布和应力分布数学模型,采用有限元分析法,利用ANSYS软件和APLD语言,模拟分析了波长为1064nm、能量为100mJ、脉冲宽度为10ns、能量呈高斯分布的激光辐照晶面结构为{110}的单晶硅材料时激光辐照区及其边缘的热分布和热应力分布,并在此基础上,分析了激光能量、激光光斑尺寸对热分布和热应力分布的影响。结果表明,在激光光斑半径内,硅材料温升迅速,光斑半径外温度变化不明显。而且硅材料上光斑半径内相同节点的温度随激光能量的变化而变化;随激光半径的增大而减小。硅材料上热应力的值是随着温度的升高而增大的,但其分布比较复杂。环向热应力在光斑半径内热应力表现为负值,在光斑半径处变化迅速,从负值变为正值,并在达到正向最大值后缓慢下降。论文的研究工作将为硅材料激光损伤机理的实验研究提供理论指导,为硅材料的激光加工工艺的改进和激光器系统的完善等提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 有限元方法与ANSYS软件简介
• 2.1 有限元分析法简介
• 2.2 ANSYS软件与APDL语言简介
• 2.3 本章小结
• 第三章 理论分析与相关原理的有限元描述
• 3.1 相关热学基本原理的有限元描述
• 3.2 温度场与应力场的理论分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 硅材料的热应力数值模型的建立
• 4.1 单晶硅的结构及其性质
• 4.2 硅材料各项参数的确定
• 4.3 ANSYS软件的设置
• 4.4 模型的建立
• 4.5 ANSYS程序流程图
• 4.6 本章小结
• 第五章 硅材料的温升与热应力分析
• 5.1 二维温升与热应力分析
• 5.2 三维温升与热应力分析
• 5.3 不同因素变化对研究结果的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 对温度场的总结
• 6.2 对应力场的总结
• 6.3 总结与展望
• 参考文献
• 致谢