[发明专利]一种测定高斯纳秒脉冲激光诱导冲击波峰值压力的方法

说明书

本发明公开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，包括步骤：用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同厚度材料背表面的自由粒子速度，得到材料背表面粒子速度随时间的变化规律；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，获得材料背表面与实验测试相同部位的粒子速度；以自由面粒子速度的实验结果为优化目标，冲击波峰值压力为优化变量，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，从而得到纳秒脉冲激光诱导产生的冲击波峰值压力。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

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：

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；

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；

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；

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；

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。

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。