Оптимизация лицевого лазерного откола
Разработана аналитическая модель лицевого откольного разрушения при импульсном лазерном нагружении. Получены оптимальные значения энергии импульса, соответствующие максимуму толщины откола и максимально эффективному преобразованию энергии импульса в импульс отдачи осколка, которые могут быть испо...
Збережено в:
| Дата: | 2003 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2003
|
| Назва видання: | Проблемы прочности |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46947 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптимизация лицевого лазерного откола / С. В. Жураховский // Проблемы прочности. — 2003. — № 1. — С. 111-116. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46947 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-469472013-07-08T09:16:36Z Оптимизация лицевого лазерного откола Жураховский, С.В. Научно-технический раздел Разработана аналитическая модель лицевого откольного разрушения при импульсном лазерном нагружении. Получены оптимальные значения энергии импульса, соответствующие максимуму толщины откола и максимально эффективному преобразованию энергии импульса в импульс отдачи осколка, которые могут быть использованы для оптимизации лицевого лазерного откола. Розроблено аналітичну модель лицьового відкольного руйнування під дією імпульсного лазерного навантаження. Отримано оптимальні значення енергії імпульсу, що відповідають максимуму товщини відколу і максимально ефективному перетворенню енергії імпульсу в імпульс віддачі відламка. Результати можуть бути використані для оптимізації лицьового лазерного відколу. We have developed analytical model of facial spalling in pulse laser loading. We derived the optimal values o f pulse energy corresponding to the maximal spall thickness and maximum efficient transformation o f the pulse energy into the spall recoil impulse. The obtained results can be used for optimization o f the facial laser- induced spalling. 2003 Article Оптимизация лицевого лазерного откола / С. В. Жураховский // Проблемы прочности. — 2003. — № 1. — С. 111-116. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46947 539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Жураховский, С.В. Оптимизация лицевого лазерного откола Проблемы прочности |
| description |
Разработана аналитическая модель лицевого откольного разрушения при импульсном лазерном
нагружении. Получены оптимальные значения энергии импульса, соответствующие
максимуму толщины откола и максимально эффективному преобразованию энергии импульса
в импульс отдачи осколка, которые могут быть использованы для оптимизации лицевого
лазерного откола. |
| format |
Article |
| author |
Жураховский, С.В. |
| author_facet |
Жураховский, С.В. |
| author_sort |
Жураховский, С.В. |
| title |
Оптимизация лицевого лазерного откола |
| title_short |
Оптимизация лицевого лазерного откола |
| title_full |
Оптимизация лицевого лазерного откола |
| title_fullStr |
Оптимизация лицевого лазерного откола |
| title_full_unstemmed |
Оптимизация лицевого лазерного откола |
| title_sort |
оптимизация лицевого лазерного откола |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2003 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46947 |
| citation_txt |
Оптимизация лицевого лазерного откола / С. В. Жураховский // Проблемы прочности. — 2003. — № 1. — С. 111-116. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT žurahovskijsv optimizaciâlicevogolazernogootkola |
| first_indexed |
2025-07-04T06:29:46Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:29:46Z |
| _version_ |
1836696823202316288 |
| fulltext |
УДК 539.4
Оптимизация лицевого лазерного откола
С. В. Ж ураховский
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Разработана аналитическая модель лицевого откольного разрушения при импульсном лазер
ном нагружении. Получены оптимальные значения энергии импульса, соответствующие
максимуму толщины откола и максимально эффективному преобразованию энергии импуль
са в импульс отдачи осколка, которые могут быть использованы для оптимизации лицевого
лазерного откола.
Ключевые слова : откол, динамическое разрушение, импульсное облучение,
оптимизация, импульс отдачи.
В последнее время появились прямые экспериментальные подтверж
дения возникновения откольного разрушения материала при импульсном
облучении [1, 2]. Одна из характерных особенностей такого явления -
незначительное влияние испарения и плавления материала на процесс разру
шения. При этом разрушение материала происходит вследствие возникно
вения волновой динамики вблизи области нагружения, где уровни напряже
ний могут превышать динамический предел прочности материала при раз
рыве.
Для адекватного теоретического описания явлений наружного лазер
ного откола были разработаны одно- и двухмерные численные методы [3-5].
В то же время потребности практики заставляют искать более простые
аналитические подходы к анализу лазерного откола. Одна из главных проб
лем, с которой сталкивается исследователь при моделировании импульсного
лазерного разрушения, - выбор математической модели динамического раз
рушения материала. Как известно, и в миллисекундном и в микросекундном
диапазоне нагружения длительность нагружения является функцией уровня
напряжений [6 ]. Таким образом, строго говоря, гипотеза о существовании
постоянной для данного материала откольной прочности неверна. Однако
силовая модель откольного разрушения из-за своей простоты, несомненно,
будет широко использоваться [7], особенно в тех случаях, когда заранее
фиксирован достаточно узкий диапазон длительностей разрушения [8 ].
В данной работе модель мгновенного откола применяется для установ
ления качественных особенностей явления наружного лазерного откола. В
частности, доказано, что главные выводы исследования не зависят от выбора
конкретной формы модели, описывающей поглощение энергии импульса в
материале. Автор установил также, что основные выводы остаются верными
при замене модели мгновенного откола моделью динамического разрушения
Тулера-Бугера. Это будет предметом дальнейших публикаций.
Модель наружного лазерного откола включает:
уравнение движения:
д и 2/ дt = д о /д г , до/дt = А д П 2/ д г , (1)
© С. В. ЖУРАХОВСКИЙ, 2003
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, N 1 111
С. В. Жураховский
А = К + 4/3 в ;
критерий разрушения (мгновенный откол):
(2 )
закон поглощения излучения в материале:
о (1)( і = 0 ,^ ) = - Г С Т 0 , ^ < 1/Ь, (3.1)
о (2)( і = 0 ,2 ) = - Г С Т 0 ( 1 - Ьі / 2), 2 < 2/ Ь, (3.2)
о (3)( і = 0 ,2 ) = - Г С Т 0 ехр(—Ь і ), (3.3)
где и 2 - осевая массовая скорость; о - главное напряжение вдоль оси
действия излучения; К , О - объемный и сдвиговой модули материала; о 5рац
- откольная прочность; Т0 - поверхностная температура; Ь - удельный (на
единицу площади) коэффициент ослабления излучения в материале; С -
удельная объемная теплоемкость материала; Г - коэффициент Грюнайзена.
Начальный профиль температур (правые части уравнений (3.1)-(3.3))
задает начальное напряжение. Используются три модели поглощения: прямо
угольный (1 вариант), треугольный (2 вариант) и экспоненциальный (3
вариант) профили (рис. 1). Последний возникает при использовании класси
ческого закона Бугера для поглощения энергии излучения в материале [9].
Рис. 1. Начальные профили тепловых напряжений: 1 - прямоугольный; 2 - треугольный; 3 -
закона Бугера (экспонента).
При формулировке системы уравнений (1)-(3) предполагается, что
время действия импульса намного меньше времени прохождения волной
ширины зоны поглощения, т.е. импульс можно считать мгновенным. Для
импульсов оптического диапазона это соответствует длительности импульса
_О _ 10
10 ...10 с. Также предполагается, что поглощенной энергии импульса
излучения недостаточно для локального испарения и плавления, т.е. мате
риал остается твердым в течение всего процесса разрушения.
Распад начального напряженного состояния £ ( 2 ) = — о (0 ,2 ) приводит к
формированию двух волн: первая волна сжатия движется от поверхности
- (5
1
1 / 1 X
112 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 1
Оптимизация лицевого лазерного откола
нагружения, вторая набегает на эту поверхность и отражается волной растя
жения:
о( ?, г ) = —1/2[£ ( г — Ш) + £ (2 + М ) — £ ( —2 + М )]. (4)
Движущиеся волны напряжений формируют также соответствующее
нестационарное поле массовых скоростей:
и г = (1/2а)[—£ ( г — М) + £ ( г + М) — £ (—г + Ш)]; П г (0, г ) = 0; (5)
а = ( а р ) 1/2.
где а - скорость плоских волн напряжений; р - плотность.
На рис. 2 изображены профили напряжений и массовых скоростей для
треугольной формы профиля поглощения излучения. Как видно, максималь
ное растягивающее напряжение, приходящееся на движущийся раздел двух
полуволн, постепенно нарастает (для всех случаев начального профиля,
кроме прямоугольного). В момент превышения максимальным растягива
ющим напряжением предела прочности формируется плоская трещ ина от
кола, перпендикулярная оси нагружения.
Рис. 2. Эволюция профилей напряжения (а) и массовой скорости (б). (Штриховые линии -
полуволны.)
Анализ решения (4) показал, что во всех трех вариантах максимум
растягивающих напряжений в материале вполовину меньше сжимающих
напряжений на поверхности в начальный момент и равен ГСТ0/2. Отсюда
следует, что для удельной (на единицу площади облучения) энергии облуче
ния Е = ^ СТо( г)й г существует критическое значение
о
ШВЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 1 113
С. В. Журахоеский
E spall — 2° spall / T L , (6 )
по достижении которого в материале образуется наружный откол. Необхо
димо отметить, что критическое значение удельной энергии облучения
зависит не от упругих свойств материала, а только от термодинамических.
Если удельная энергия облучения превышает Е р ац , то решение (4)
позволяет найти толщину откольной пластины (X ц) для трех вариантов
расчета:
М аксимально возможная толщина откола, определяемая подстановкой
(6 ) в (7.1)—(7.3), для трех вариантов составит:
Таким образом, при увеличении крутизны фронта импульса начального
нагрева и постоянном коэффициенте ослабления излучения толщина отколь
ной пластины убывает, стремясь к пределу, не зависящему от энергии
импульса излучения.
При возникновении откольной трещ ины часть механической энергии
волны оказывается “заперта” в отделившемся осколке. При этом оказывается
отсеченным и импульс массовой скорости частиц, вследствие чего откольная
пластина приобретает некоторую среднюю скорость отлета, и основное тело
испытывает импульс отдачи. Для трех вариантов расчета определены сред-
хЩ п - 1 (2L); (7.1)
(7.2)
(7.3)
(8 .1)
(8 .2 )
(8.3)
Х зра11
няя скорость откольной пластины и 8рац = f и 2 й ^ Х п :
0
U^ott - - ( a/A)(TEL);
U Spall — _ ( a / A )(TEL - 7 spall
(3)
U spall ( a7 spall ) / (AXspallL)
(9.1)
(9.2)
(9.3)
114 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 1
Оптимизация лицевого лазерного откола
и создаваемый ею удельный импульс отдачи (на единицу поверхности):
^ a t t = - E ( Г ар )/(2Л); (10 .1)
^spill = - [ 1 - 2 0 spall/(TEL)]/(2aOspaii ) / (LA); (10.2)
tSpill = (aP 0 spall V (AL)' (10.3)
Анализ решений позволяет заключить, что скорость откольной пласти
ны возрастает при превышении энергией критического значения. А нало
гично ведет себя и импульс откольной пластины, за исключением экспонен
циального варианта, когда он не зависит от энергии облучения.
Оптимизация глубины откола достигается путем нагружения импульсом
излучения с энергией, незначительно превышающей критическую энергию
наружного откола. Дальнейшее повышение энергии импульса излучения
приводит к снижению толщины откола.
Р е з ю м е
Розроблено аналітичну модель лицьового відкольного руйнування під дією
імпульсного лазерного навантаження. Отримано оптимальні значення енер
гії імпульсу, що відповідають максимуму товщини відколу і максимально
ефективному перетворенню енергії імпульсу в імпульс віддачі відламка.
Результати можуть бути використані для оптимізації лицьового лазерного
відколу.
1. Elieser Sh., Gilath I., and Bar-Noy T. Laser-induced spall in metals:
experiment and simulation // J. Appl. Phys. - 1990. - 67, No. 2. - P. 717 —
724.
2. Новиков C. A., Рузанов А. И ., Трунин И. Р. и др. Распространение волн
напряжений и процессы разрушения в металлах при быстром объемном
разогреве // Пробл. прочности. - 1994. - № 2. - С. 61 - 6 6 .
3. Галиев Ш. У., Жураховский C. В. Разрушение многослойных пластин в
термовязкоупругопластических волнах // Там же. - 1984. - № 11. - С. 37
- 43.
4. Галиев Ш. У., Жураховский C. В., Иващенко К. Б. Разрушение тел
импульсами излучения как способ обеспечения космической безопас
ности // Там же. - 1996. - № 3. - С. 31 - 51.
5. Akhmadeev N. K. M odeling wave process and spalling fraction in a
rectangular plate during thermal pulse heating // High Temp. - 1988. - 26,
No. 3. - P. 429 - 434.
6 . Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
288 с.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 1 115
С. В. Жураховский
7. Майнчен Д ж ., Сак С. М етод расчета “Тензор” // Вычислительные
методы в гидродинамике. - М.: Мир, 1967. - С. 185 - 211.
8 . Ахмадеев Н. X., Сорокина Е. П., Яушев К. К. Откольное разрушение
пластин при импульсном тепловом прогреве // Ф изика горения и
взрыва. - 1983. - 19, № 11. - С. 131 - 139.
9. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. - М.: Наука, 1991.
- 304 с.
Поступила 19. 09. 2002
116 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 1
|