一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法

本发明涉及激光冲击加工领域，尤其是涉及一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法。

背景技术：

1、强激光辐照目标靶材表面时，所产生的极端热力学条件引发了及其复杂的多物理场耦合现象。激光能量的高效吸收导致目标靶材表面瞬间气化并电离，形成了瞬态高温高压等离子体云。这中等离子体云进一步吸收激光能量并以极高的速度扩张，同时在材料内部和周围介质中激发强烈的冲击波，其传播特性与初始激光能量沉积密切相关。正确认识这一过程中的机制有助于推进激光加工在精细化生产制造和控制领域的应用。

2、现有的研究已经深入讨论了激光烧蚀过程中等离子膨胀对冲击波压力及其动力学特征的影响。然而，现有的模型在解析等离子体形成阶段，特别是等离子体内部的温度分布、动量传递和能量传递路径等多物理场耦合效应方面仍存在显著的局限性。目前的理论框架尚无法充分捕捉和解析这些复杂现象。

3、因此，有必要提供一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，分析强激光诱导爆炸冲击的动力学过程，为理解激光冲击过程中的多场耦合机制提供分析方法，实现对精细化激光加工的控制和应用，有助于推进激光加工在精细化生产制造和控制领域的应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，包括以下步骤：

3、s1：初始化与参数设定；

4、s2：根据激光与材料间的相互作用，计算单位时间内单位面积上的激光能量吸收；

5、s3：根据双温度模型方程，得出电子与晶格间的能量转移速率，迭代更新晶格温度tl；

6、s4：根据晶格温度tl更新lbm中的局部平衡分布函数，执行lbm操作，包括分布函数在格子上的迁移和bgk碰撞过程，提取宏观物理量；

7、s5：计算由温度引起的材料烧蚀和相变过程，更新材料厚度和边界条件，得到烧蚀导致的流体流动和热传导变化；

8、s6：基于能量释放和流体动力学信息，模拟爆炸冲击波的生产和传播，计算冲击波传播产生的应力场，分析材料内部应力分布和潜在的破坏机制；

9、s7：按照预设步长，重复执行步骤s2-s6；

10、s8：分析模拟结果，提取关键物理量，采用通用后处理软件对模拟数据进行可视化处理。

11、优选的，步骤s1中涉及到的材料参数包括密度ρ、热容cp、热导率k、电子热容ce、晶格热容cl、电子热导率ke、晶格热导率kl、熔点tmelt、气化温度tvapor、熔解潜热lmelt、蒸发潜热lvapor、激光吸收率β，激光参数包括波长λ，功率plaser，脉冲宽度τpulse和入射角θ；计算域的设置包括确定网格尺寸δx、δy、δz，总网格数nx、ny、nz和材料初始厚度h，给定初始状态下的电子温度te和晶格温度tl的初始值，流体的初始分布fi。

12、优选的，在步骤s2中，采用beer-lambert定律表示激光能量的吸收模型，以源项的形式插入至双温度方程中，具体表示为：

13、

14、式中，s(r,z,t)为激光源项，r为激光反射系数，β为激光的吸收系数，r为激光光斑半径，z为影响深度，i(r,t)为激光的时空分布，为gaussian分布：

15、

16、式中，τp为激光的脉宽，f0为入射激光的注量，r0为激光的束腰半径。

17、优选的，在步骤s3中，双温度模型包括两个温度控制方程，如下所示：

18、

19、式中，下标e和l分别表示电子和晶格，te和tl分别为电子和晶格的温度，ce和cl分别为电子和晶格的比热容，ke和kl分别为电子和晶格的热导率，ge-ph为电子-声子耦合系数，电子热导率ke由下式给出：

20、

21、ae和bl是表示电子-电子和电子-声子碰撞率的特定材料常数，te和tl分别为电子和晶格温度，ce为电子比热熔，fermi速度ef为fermi能，me为电子质量；

22、晶格的比热容和热导率和为常数。

23、优选的，在步骤s4中，lbm为格子boltzmann方法，带有bgk算子的双分布函数模型表示为：

24、

25、式中，f和g为分布函数，表示晶格点x和时间t处的粒子数量，沿着近邻晶格的链路δxi＝eiδt以速度ei沿着i方向移动，pr为prandtl数，pr＝v/κ，ra为rayleigh数，pr＝(2τ-1)/(2τh-1)，平衡态分布函数fieq和分别表示为：

26、

27、式中，ρ为密度，wi为密度分布的权重，ei为i方向上的格子质点速度，u表示当地流体速度，t为温度，为温度分布的权重，csh为格子声速，vi表示i方向上的格子热流速度。

28、优选的，在步骤s5中，在时间步长为n，迭代k次后的宏观温度为：

29、

30、式中，d表示离散模型的离散维度，以常见的d3q19离散模型为例，d＝18，表示时间步长为n迭代k次后i方向上温度分布函数。

31、求解局部焓，公式为：

32、enn,k＝ctn,k+lff1n,k-1

33、式中，c表示液相比热，lf表示熔化潜热，f1n,k-1为迭代k次后的液体分数，由熔体焓值线性插值得到：

34、

35、式中，ens为熔融温度下的固相焓，enl为熔融温度下的液相焓，tm表示熔点。

36、优选的，在步骤s6中，采用euler方程来描述冲击波在材料内部的传播过程：

37、

38、式中，ρ为材料密度，v为速度场，p为压力，e是鯮能量密度，i是单位矩阵；

39、采用johnson-cook模型来计算非线性响应：

40、

41、式中，σy为常温常压下的静态屈服应力，k和n分别表示应变硬化一致性和应变硬化参数，c为应变率灵敏度参数，t0和tmelt表示室温和熔化温度，∈p为塑性应变，为塑性应变率，为参考应变率。

42、优选的，在步骤s8中，采用格式化文本输出计算域内的速度、温度、密度及压力、应力和塑性变形信息。

43、因此，本发明采用上述一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，实现对强激光驱动爆炸冲击现象的流体动力学模拟和分析，为精确预测激光驱动爆炸冲击过程中冲击压力和动力学特征的演变提供可靠的理论支撑和计算工具，推进精细化激光加工的优化和应用。

44、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：步骤s1中涉及到的材料参数包括密度ρ、热容cp、热导率k、电子热容ce、晶格热容cl、电子热导率ke、晶格热导率kl、熔点tmelt、气化温度tvapor、熔解潜热lmelt、蒸发潜热lvapor、激光吸收率β，激光参数包括波长λ，功率plaser，脉冲宽度τpulse和入射角θ；计算域的设置包括确定网格尺寸δx、δy、δz，总网格数nx、ny、nz和材料初始厚度h，给定初始状态下的电子温度te和晶格温度tl的初始值，流体的初始分布fi。

3.根据权利要求1所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s2中，采用beer-lambert定律表示激光能量的吸收模型，以源项的形式插入至双温度方程中，具体表示为：

4.根据权利要求3所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s3中，双温度模型包括两个温度控制方程，如下所示：

5.根据权利要求4所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s4中，lbm为格子boltzmann方法，带有bgk算子的双分布函数模型表示为：

6.根据权利要求5所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s5中，在时间步长为n，迭代k次后的宏观温度为：

7.根据权利要求6所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s6中，采用euler方程来描述冲击波在材料内部的传播过程：

8.根据权利要求7所述的一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，其特征在于：在步骤s8中，采用格式化文本输出计算域内的速度、温度、密度及压力、应力和塑性变形信息。

技术总结本发明公开了一种强激光驱动爆炸冲击多场耦合求解方法，涉及激光冲击加工领域，包括以下步骤：首先根据求解问题设定材料常数、网格、激光等初始参数，然后根据Beer‑Lambert定律建立激光能量的吸收模型并采用双温度模型，求解激光辐照区域的温度场，接着利用LBM方法求解靶材表面的相变烧蚀过程，最后借助Euler方程和Johnson‑Cook模型模拟分析材料内部的冲击波传递演化过程，实现对强激光驱动的爆炸冲击多长耦合效应的分析和求解，为推导精细化激光加工控制和应用提供优化模型。技术研发人员：李营,李玮洁,梁秀兵,成志忠,马彬,许智隼受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29