Введение к работе
Актуальность. В настоящее время, свяэв с интенсивным разватиен таках отраслей наука і технака, как космическое материаловеденае, полупроводниковое приборостроение, лазерная обработка материалов в т.д., аэученае а практическое использование воздействия на современные материалы концентрированных потоков излучения различной физической природы является одним из основных направлений в науке а технологии. Характерная черта такого воздействия заключается в том, что различные типы излучения (пучки высоких энергий, лазерное излучение определенных длин волн а т.д.) могут взаимодействовать не только с поверхностью (непрозрачные материалы), но и проникать вглубь этих материалов (частично прозрачные материалы). Физические процессы, происходящие при таком взаимодействии, черезвычайно сложны в до сих пор нет их полного теоретического описання. Поэтому, весьма актуальным является построение физико -математических моделей, которые наиболее адекватно описывают реальную картину взаимодействия.
Из всех встречающихся на евгодняпний день видов излучения, лазерное применяется наиболее широко, привлекая к себе особенный интерес, в связи с его уникальными свойствами а качественно новымв физико-механическими эффектами теплового воздействия на современные промышленные материалы. В первую очоредь, к этим эффектам следует отнести явления упрочнения в разрушения материалов. Из экспериментальных наблюдений известно, что механизмы разрушений материалов различны и непосредственно зависят, как от характеристик лазерного излучения (длины волны излучения, энергии, мощности), так а от свойств материалов (оптических, теплофизнчвеких, механических). Лля непрозрачных материалов типичным эффектом воздействия лазерного излучения является плавление и испарение поверхности, а для частично прозрачных - образование трещин хрупкого разрушения/ в, если это не приведет к полному разрушению, то далее может наблюдатся абляция, тепловой взрыв на неоднородиостях, ударные волны, электрический пробой. Что касается характеристик лазерного излучения, то, как известно, короткий и мощный электромагнитный импульс индуцирует в материале термоупругие волны напряжений, а
непрерывное изяучен» создает квазистатическяе поля термоупругях напряжен»». Это следует яиеть в виду при оценке теркнческях я механических характеристик материале.
Процесс термоупругого разрушения частично прозрачных материалов представляет собой сложное явление, определяемое взаимодействием различного рода факторов. И несмотря на то, что к сегодняшнему дню накоплено значительное число экспериментальных данных выявлен ряд некоторых закономерностей! этого процесса;, количественных, теоретических оценок проведено недостаточно. К тому же, большинство из них сделано па очень грубых приближенных моделях в пренебрежении, например, процессами рассеяния, которые играют заметную роль в полупрозрачных материалах.
Данная работа посвящеж* яссяедованя» термоиеханхческвх процессов в частично прозрачных материалах, облучаемых непрерывным лазерный излучением, с учетом рассеяния и поглощения падающего излучения.
Очевидно, что аналитическое решение такої задачи в многомерно! постановке при ограниченных размерах луча получить невозможно. В связи с этим, актуальным становится чнсленное моделирование, позволяющее с помощью ЭВЖ провести подробны! численны! эксперимент, наиболее полно учитывчеющи! особенности рассматрхаемого взаимодействия. С другої стороны1, гатенсявиюе развитие вычислительно! техникг ж численных методов создало необходимую основу на базе которой возможно провести1 решение такях сложных задач и определить значения величин, которые невозможно получить из опыта.
В данной работе применяются различные численные методы для решения такої комплексно! задачи, как определение термоупругях напряжений в рассеивающем и поглощающем частично прозрачном материале, подверженном воздействию лазерного излучения. При расчете переноса излучэния материале используется комбинированны! метод, при котором часть энерговыделения, обусловленная притоком энергяи за счет падающего лазерного излучения определяется по методу Монте-Карло, а другая часть (за счет собственного излучения от нагретых чаете! образца) рассчитывается с использованием диффузионного приближения. Метод Монте-Карло был выбран потому, что он является единственным из существующих е настоящее время методов, который позволяет
рассматривать решение точного уравнения переноса аэлученая. Для определения нестационарных температурных полей в термоупругах напряженна используется не од конечных эленентов, как нааболее мощный инженерный метод решеная прикладных задач.
Следует отметать, что после незначительно» доработка представленная в данной работе теория, алгоритмы в программы могут быть вспольэованы для исследования, .взаимодействия других ввдов излучения с полупрозрачными материалами.
Целью настоящей работы является разработка физино - матена -твческой модела термонеханических процессов в частачно прозрачных материалах (поглощающих в рассеивающих) при воздействии на них непрерывного лазерного излучения., и создание на ее основе вычислительных алгоритмов * програми, позволяющих моделировать напряжемно^ефермврованмое, .'^состояние в образцах аз этих материалов с' учетом .влияния различных фнзаческах (оптических, теплофизическйх,,. мйхайических), геометрических (размеры образцов а зоны лазерного облучения) а энергетических (мощность падающего потока энергии) параметров.
Научная новизна. В результате проведенной работы создан комплекс физико-математических моделей а расчетных программ, позволяющих решать значительное количество всследовательсках в прикладных задач радиационно-кондуктивного переноса энергнв а термоупругоств, а также получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
1. Разработана физико-математическая модель а осуществлена
ее программная реализация, которая позволяет рассчятывать в
многомерной постановке раднационно-кондуктивный перенос а
термоупругие напряженая в частично прозрачных материалах
(рассеивающих, поглощающих и излучающих), подверженных
воздействию непрерывного лазерного излучения.
2. Предложен оригинальны» алгоритм решеная двумерной
осесамнетрвчной задача радиационно-кондуктивного переноса для
случая взаимодействия ограниченного моллимнрованного пучка
лазерного аэлученая с рассеивающим частично прозрачным
матеріалом, состоящий в объединении часленного репенвя точного
уравненвя переноса с помощью иг года Монте-Карло в реаеияя
уравненяя переноса а дяффуэяонном приближения для определеняя скоростя прітока лучястої энергия.
3. Продемонстрярована принципиальная зависимость распределе-няя териоупругнх напряженяі, яндуцярованних в частично прозрачных матеряалах непрерывным лазерным яэлученнек, от оптяческях характеряствк этях натеряалов.
Аппробацяя работы. Основные результаты работы доложены: на Международной «оруне "ТЕПЛОМАССООБМЕН" - НМ» - 92/ г. Минск: "АНК НТМО ям. А.К.Лыкова", АН5, 1992г./; на Международно! конференция "Космонавтика, XXI век"/, Московская обл., г. Калининград, ЦНИИМАШ, 1991г./; на XIV конференции молодых ученых НеТИ/ г. Москва, 1989г. По результатам диссертация опубликованы 3 печатных а 4 рукописных работы.
Структура я объем диссертации.
Дяссертацяя состоят аз введения, пятя глав, заключения я приложения. Дяссертацяя наложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка на 27 страницах, 72 наименования использованной литературы.