一种激光层裂过程的有限元模拟方法技术

本申请公开了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，可以模拟激光产生的冲击波在粘接结构中的传播过程，使得冲击波的传播过程可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析，同时，根据模拟的层裂状态，可以对实验方案中的激光参数的选取进行调控及优化，降低了实验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种激光层裂过程的有限元模拟方法
本申请涉及激光层裂
，尤其涉及一种激光层裂过程的有限元模拟方法。
技术介绍
激光层裂法是一种检测粘接结构的粘接面强度的新型技术，它是利用高能量、短脉冲的激光透过约束层后辐照在材料表面的吸收层上，在吸收层和约束层的共同作用下形成冲击波，并向材料内部传播。当冲击波传播到材料自由表面后会被全反射形成拉伸应力波，当材料内部某处的拉伸应力波的强度超过材料的动态抗拉强度时，此处的材料就会产生层裂。在冲击的同时，通过检测并分析材料的动态响应信号即可快速对界面强度进行比较或判定。粘接结构存在多个界面，冲击波在每个界面处都会产生反射和透射，这些反射和透射的应力波还会相互叠加，使得冲击波在材料内部的转播过程比较复杂。此外，不同材料、不同结构及不同厚度的粘接结构也会对冲击波的传播产生直接影响。因此，在对不同的粘接结构进行激光层裂时，需要对激光参数(如脉宽、脉冲能量、光斑直径)的选取进行优化，使反射应力波的最大拉应力在需要检测的粘接面处产生，避免最大拉应力对粘接结构的其他部位产生损伤。如果仅依靠实验对激光参数进行优化，则会造成大量时间及资金的浪费。而通过数值模拟不仅可以对激光参数进行优化，还可以对冲击波的传播过程进行可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析。因此迫切需要一种可靠的有限元模型对激光层裂过程进行数值模拟。
技术实现思路
本申请提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，用于解决现有激光层裂中的激光参数的选取只能依靠实验进行优化的技术问题。<br>有鉴于此，本申请提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，包括以下步骤：S101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；S102：根据所述粘接组成材料的物理属性对所述步骤S101中建立的所述粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对所述粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；S103：根据所述粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；S104：在所述粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；S105：根据激光预设参数确定作用于所述粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；S106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；S107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对所述粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；S108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。优选地，所述步骤S101具体包括：将各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化为二维几何模型，将含有各向异性材料组成的粘接结构简化为1/4三维几何模型，然后，根据简化后的几何模型的几何尺寸在ABAQUS有限元软件中建立对应的粘接结构几何模型。优选地，所述步骤S102具体包括：根据实际材料物理参数进行设定的材料属性包括：材料密度、杨氏模量、泊松比与应变率为10E2/s以上的应力应变关系，设定的本构关系包括：通过ABAQUS有限元软件的子程序设置金属材料采用Johnson-Cook本构方程，并设置非金属材料采用应变率为10E2/s以上的弹塑性本构方程，并根据实验预设条件对损伤准则设定为最大主应力损伤准则，损伤演化准则设定为断裂能准则。优选地，所述步骤S103具体包括：根据预设冲击波状态与所述粘接结构几何模型的边界条件，创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度V及材料的厚度计算并设置分析步时间tstep，其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数，根据预设的网格尺寸及声波传播速度计算并设置增量步Δt，其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，ΔL为预设的网格尺寸，声速E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度；同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型，其中，所述场变量输出类型包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。优选地，所述步骤S105具体包括：采用幅值曲线设置加载的冲击波随加载时间的变化关系P(t)，冲击波随加载时间的变化关系P(t)由激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)获得；采用加载函数设置加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)由激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)获得。优选地，所述步骤S106具体包括：计算并设定网格单位尺寸，网格单元尺寸ΔL的计算公式为其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，τ为激光脉宽；同时，根据有限元模型的分析步类型确定并设定网格单元类型，网格单元类型设置具体包括：当三维模型侧面无限单元的单元类型设置为CIN3D8单元时，所述三维模型除侧面外的其余单元类型设置为C3D8R单元；当二维模型侧面无限单元的单元类型设置为CINPE4单元时，所述二维模型除侧面外的其余单元类型设置为CPE4R单元；并根据设定的网格单元尺寸与网格单位类型对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构有限元几何模型。优选地，所述步骤S107具体包括：基于ABAQUS有限元软件的分析功能对所述粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，其中，所述场变量包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请实施例提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，可以模拟激光产生的冲击波在粘接结构中的传播过程，使得冲击波的传播过程可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析，同时，根据所输出的模拟仿真数据，可以指导实验方案中的激光参数的选取进行优化，降低了实验成本。附图说明图1为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的流程图；图2为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的几何模型的边界条件及施加载荷示意图；图3为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的激光脉冲电压V(t)和冲击波压力P(t)随时间变化示意图；图4为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的平顶光斑能量密度示意图；图5为本申请提供的一种激光层裂过程的有限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；/nS102：根据所述粘接组成材料的物理属性对所述步骤S101中建立的所述粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对所述粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；/nS103：根据所述粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；/nS104：在所述粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；/nS105：根据激光预设参数确定作用于所述粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；/nS106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；/nS107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对所述粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；/nS108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。/n...

【技术特征摘要】
1.一种激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；
S102：根据所述粘接组成材料的物理属性对所述步骤S101中建立的所述粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对所述粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；
S103：根据所述粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；
S104：在所述粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；
S105：根据激光预设参数确定作用于所述粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；
S106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；
S107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对所述粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；
S108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。


2.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S101具体包括：将各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化为二维几何模型，将含有各向异性材料组成的粘接结构简化为1/4三维几何模型，然后，根据简化后的几何模型的几何尺寸在ABAQUS有限元软件中建立对应的粘接结构几何模型。


3.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：根据实际材料物理参数进行设定的材料属性包括：材料密度、杨氏模量、泊松比与应变率为10E2/s以上的应力应变关系，设定的本构关系包括：通过ABAQUS有限元软件的子程序设置金属材料采用Johnson-Cook本构方程，并设置非金属材料采用应变率为10E2/s以上的弹塑性本构方程，并根据实验预设条件对损伤准则设定为最大主应力损伤准则，损伤演化准则设定为断裂能准则。


4.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S103具体包括：根据预设冲击波状态与所述粘接结构几何模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永康，张冲，金捷，陈玲玉，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44