[發明專利]切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP的仿真方法

在審

• 申請號: 202211058515.8
• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115440325A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 李澤文;周義青;唐杰
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/08;G06F113/26
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP的仿真方法，該方法提出了高速切向氣流下和高功率激光密度作用下全編織材料的致密結構力學剝蝕模型，同時考慮了燒蝕坑渦流演化對氧氣傳質和力學剝蝕的影響；該方法通過建立流固耦合模型，同時分析了CFRP在激光燒蝕過程中的樹脂熱解反應、碳纖維和殘碳的氧化和升華剝蝕、外部切向氣流導致的力學剝蝕以及內部熱解氣體產生的力學剝蝕問題，解決了CFRP在激光燒蝕不同階段中不同剝蝕的貢獻問題。本發明可以重現一定流速范圍內的任意形式激光對CFRP的燒蝕過程，為高流速切向氣流下高功率激光毀傷復合材料提供理論和模擬依據。

技術領域

本發明屬于激光加工和毀傷領域，尤其涉及一種切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP的仿真方法。

背景技術

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是以碳纖維為增強材料、樹脂為基體的層狀復合材料。CFRP具有比強度高、比模量高、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、低膨脹性、抗疲勞性好、比重小和優異的力學性能等特點。全編織CFRP其由于擁有比單向CFRP和正交CFRP更高的強度和更優越的力學性能，因而被更廣泛地應用于航空航天和軍事武器制造，尤其在多用途無人機領域。現有的導彈攔截成本高，精度有限；而高能激光武器具有持續追蹤打擊、光速傷害、成本低廉等優勢，因此展開激光對高速氣流下全編織CFRP的燒蝕特性研究至關重要。

激光燒蝕CFRP是極為復雜的物化過程，其包括樹脂的熱解、熱解產物的反應和流動、內部壓力導致的不可逆膨脹和力學剝蝕現象、殘碳和碳纖維的氧化以及氧化導致的材料強度的變化、熱解羽煙顆粒對激光的屏蔽效應和對氧氣傳質的阻礙；若材料表面存在高速流動的氣體，其燒蝕過程還包括外部的力學剝蝕效應，氧氣傳質的動態演化、材料表面對流換熱導致的溫度演化等；當溫度達到碳的氣化溫度時，材料表面會發生升華。因此，造成切向氣流下激光燒蝕CFRP材料的毀傷過程可描述為：熱解、氧化、內部力學剝蝕、外部力學剝蝕、升華。激光作用CFRP材料過程非常劇烈，通過實驗研究想量化燒蝕過程中的各類貢獻是非常困難的，進而數值仿真已成為越來越重要的分析手段。

現有的數值仿真主要針對低功率下激光切割CFRP研究、低流速下的氧化燒蝕研究、高流速下的外部力學剝蝕研究等，鮮有充分考慮各個物化階段性貢獻分析的研究，對切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP的研究更為有限。全編織材料的特殊結構在燒蝕過程中表現得較單向和正交結構更為復雜，熱物性參數更難以定量分析。在研究氧化燒蝕時和外部力學剝蝕過程中，很多研究直接將流體域氧氣濃度和邊界流速作為恒定常數計算，未準確考慮隨燒蝕坑演化而產生得變量分布。目前而言，針對CFRP材料的內部力學剝蝕單純考慮溫度演化，并未結合實際去考慮內部力學剝蝕的階段性特點，即隨著熱解的完全，內部力學剝蝕速率逐漸趨于零。

因此，必須發展切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP仿真方法，定性定量地分析熱解、氧化、升華、外部力學剝蝕、內部力學剝蝕對燒蝕過程中的階段性貢獻，從而能夠精確化激光對高速靶目標的毀傷機理過程，實現高效激光打擊策略的制定。

發明內容

本發明的目的在于提供一種切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP的仿真方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種切向氣流下激光燒蝕全編織CFRP仿真方法，包括如下步驟：

第一步：采用體積平均的方法對材料的密度、恒壓熱容、熱導率進行均一化處理；

第二步：建立流體域和多孔介質域基本控制方程，以動量守恒定理、質量守恒定理和能量守恒定理為基礎，并采用移動網格方法追蹤界面退移和燒蝕過程；

第三步：構造致密結構物理模型，追蹤燒蝕坑內材料表面的流體速度變化，通過邊界相似性原理映射到材料表面，并替代原方程的流速項進行修正；

第四步：以致密結構為理論依據推導并設置材料各向異性的熱導率；

第五步：考慮熱解氣體的壓力變化做功和粘性耗散，并添加到多孔介質能量守恒方程進行修正；