【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料特种加工领域，涉及一种脉冲激光烧蚀碳/碳复合材料有限元模拟方法。
技术介绍
1、离子推力器是实现航天器在微重力太空中调姿、变轨等功能的核心部件，其工作原理是利用电能将推进剂电离，由栅极组件将离子引出并聚焦加速从而产生推力，具有推力小、比冲高、寿命长等特点。随着离子推力器性能要求的不断提高，栅极组件在高束流密度和高比冲下具备更好的热稳定性和耐溅射能力的需求显得愈加迫切。碳/碳复合材料具有密度低、机械强度高、热膨胀系数低、离子溅射率低等优异特点，是一种理想的栅极材料。然而碳/碳复合材料硬度高、脆性大且各向异性，属于典型的难加工材料，激光加工技术因其非接触加工、适用于各种难加工材料、高灵活性等优点，是该类碳/碳复合材料栅极精密制造有效手段。
2、在航天器应用中的碳/碳复合材料大多具有极高的价值，利用有限元模拟激光加工可以减少试错性实验，节省大量的人力物力资源。而且碳/碳复合材料激光烧蚀机理的许多未知因素尚未被揭示，仅依靠实验和测试设备无法准确地把握激光加工时材料内部的形貌演变和温度变化，为此通过有限元模拟加工过程中的热物理变化成为解决此难题的有效手段，利用有限元模拟方法进行碳/碳复合材料激光加工机理研究具有重要的价值。现有技术文献1翟兆阳等人专利公开号cn116108714a的“激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法”，根据实际的sic/sic尺寸建立了三维复杂温度场模型，改变激光光斑的位置，得出激光烧蚀sic/sic时对应的温度场特征的变化规律，但未考虑随激光作用材料的及时去除，激光烧蚀材料的形貌不明
技术实现思路
1、本专利技术的目的是专利技术一种脉冲激光烧蚀碳/碳复合材料有限元模拟方法，该方法基于ansys apdl软件建立碳/碳复合材料三维异质几何模型，定义两种材料参数分别赋予基体和纤维，对模型进行网格划分并设置求解器和边界条件，施加激光热流密度载荷进行瞬态热分析求解，利用生死单元技术分别去除超过各自升华温度的基质和纤维单元，虑及相邻脉冲之间的热量累积，结合重启动法和apdl命令流完成激光在裸露不规则表面上的加载，实现随着激光作用材料的及时去除，得到碳/碳复合材料的烧蚀形貌及温度分布。该方法可以有效减少试错实验、降低实验成本等，为研究激光加工碳/碳复合材料机理、优化碳/碳复合材料栅极精密制造工艺参数提供依据。
2、本专利技术采用的技术方案是一种脉冲激光烧蚀碳/碳复合材料有限元模拟方法，该方法基于ansys apdl软件建立碳/碳复合材料三维异质几何模型，定义两种材料参数分别赋予基体和纤维，对模型进行网格划分并设置求解器和边界条件，施加激光热流密度载荷进行瞬态热分析求解，利用生死单元技术分别去除超过各自升华温度的基质和纤维单元，虑及相邻脉冲之间的热量累积，结合重启动法和apdl命令流完成激光在裸露不规则表面上的加载，实现随着激光作用材料的及时去除，得到碳/碳复合材料的烧蚀形貌及温度分布。方法的具体步骤如下：
3、步骤一、在有限元软件ansys apdl中建立基体和纤维的三维异质几何模型，并使用apdl命令实现两种材料的粘连。基体各向同性而纤维各向异性，引入三种不同方向的导热系数kx、ky、kz，其中kx、ky代表径向导热系数，kz代表轴向导热系数，设置两种材料参数分别赋予基体和纤维。
4、步骤二、选用六面体八节点solid70传热单元对模型进行网格划分，进行瞬态非线性热传导求解器和重启动设置，设定所有节点初始温度条件为室温，非激光作用材料表面设定为空气热对流边界，对流换热公式如下：
5、qc＝-h(t0-t) (1)
6、式中，qc为材料与空气换热的热流密度，h为对流换热系数，t0为室温，t为材料中某节点的温度。
7、步骤三、使用具有高斯分布特征的激光热源，其表达式为：
8、
9、其中，qlaser为激光热流密度，f为材料对激光的吸收率，p为激光功率，x0、y0、z0为激光热源中心在笛卡尔坐标系中的坐标，r0为激光光斑半径。激光热源方程利用apdl中的函数编辑器导出热源命令流，并将其以热流密度形式加载到材料表面节点上。
10、进入求解模块进行瞬态热分析求解，其热传导过程遵守傅里叶定律：
11、
12、式中，qi为热流密度，k为材料的导热系数，为沿边界外法线方向的温度梯度。根据能量守恒定律及傅里叶定律，进一步构建激光加工过程中各向异性材料的三维非线性瞬态传热热平衡方程：
13、
14、式中，ρ为材料密度，c为比热容，t为模型内某点(x,y,z)在t时刻的温度值。激光加工还涉及到相变问题，ansys将相变潜热定义在材料焓值中：
15、
16、式中，δh是材料热焓。进入后处理模块获取单元温度信息，再进入求解模块利用生死单元技术分别将超过各自升华温度的基质单元和纤维单元杀死。生死单元技术即当单元的温度超过其升华温度时，通过改变刚度矩阵，使得该单元在模型中不起作用，类似“杀死”的功效，实现激光烧蚀使材料去除的效果。
17、步骤四、为模拟激光与材料作用过程中，随着材料的去除激光作用在裸露不规则表面的实际加工现象，需要不断的重复步骤三中进入求解模块热传导计算、进入后处理模块获取单元温度信息再进入求解模块杀死单元的这个过程，然而再次进入求解模块会使得激光作用后材料内部的残留温度丢失。虑及相邻求解模块之间残留温度，使用重启动法实现随材料去除激光在不规则表面上加载的过程。
18、具体地，将前一次加载最后一个载荷子步的求解信息保存在特定文件中，在下一次加载时指定求解为重启动分析。读取前一次加载保存的求解信息文件，并求解一个极短的时间步来近似为重启动分析的起点，此时模型可认为是前一次加载最后一个子载荷步求解完毕的状态，保留了材料内部的单元温度并且已经杀死了部分超过升华温度的单元。
19、再将前一次加载的热源载荷删除，在模型内部裸露出来的不规则表面加载下一次热源载荷。使用选择集命令“ext”获取当前存活单元的所有外表面节点，并将与空气对流表面节点排除得到激光辐照区的节点集合，施加激光热流密度，实现随着材料去除在不规则表面上的载荷加载。重复步骤三中获取单元温度信息并杀死单元的流程，直到求解时间步达到单个脉冲的脉宽。
20、步骤五、多脉冲重启动求解
21、脉冲激光在一个出光周期tperiod内，脉冲持续时间为ton，脉冲间隔时间为toff，考虑单个脉冲求解ton后toff内热量的传递，类似地使用重启动法，在激光载荷删除后继续求解一段toff，完成一个出光周期tperiod内的烧蚀求解。重复多个脉冲出光周本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种脉冲激光烧蚀碳/碳复合材料有限元模拟方法，其特征在于，该方法基于ANSYSAPDL软件建立碳/碳复合材料三维异质几何模型，定义两种材料参数分别赋予基体和纤维，对模型进行网格划分并设置求解器和边界条件，施加激光热流密度载荷进行瞬态热分析求解，利用生死单元技术分别去除超过各自升华温度的基质和纤维单元，虑及相邻脉冲之间的热量累积，结合重启动法和APDL命令流完成激光在裸露不规则表面上的加载，实现随着激光作用材料的及时去除，得到碳/碳复合材料的烧蚀形貌及温度分布；方法的具体步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光烧蚀碳/碳复合材料有限元模拟方法，其特征在于，该方法基于ansysapdl软件建立碳/碳复合材料三维异质几何模型，定义两种材料参数分别赋予基体和纤维，对模型进行网格划分并设置求解器和边界条件，施加激光热流密度载荷进行瞬态热分析求...
【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，杨治本，王松弘泽，张承双，袁养鑫，行小龙，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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