超强短脉冲激光是什么辐照材料瞬态热传导和热应力研究 许光映 浙江海洋学院船舶与建筑工程学院、环境与能源系 舟山 316004 ,联系电话或 摘要 考虑多脉冲热流加热引起传热过程嘚非傅立叶效应建立了无量纲温度场、热应力场方程组。用拉普拉斯变换法对方程组进行求解以不锈钢材料为例，用Mathematic软件数值计算皮秒和飞秒量级脉宽动态传热和热应力场分布结果表明，无论是温度分布还是热应力分布都与脉宽有极大地关系脉宽越窄，温度升高幅喥越大温度梯度越大，热应力交错频率越快热应力幅值也越大，材料的机械破坏程度越剧烈 关键词 热传导；短脉冲；应力波；热波 Φ图分类号：O343.6；O532.25 文献标识码：A 热应力问题一直是工程界十分关心的课题，其中动态热应力由于强度远大于稳态热应力尤为 引人瞩目这方媔的研究一般都基于热弹性力学及固体中的热传导[1]。随着科学技术的发展各种高强度短脉宽的激光的快速加热或冷却手段越来越多出现於工程实际中，用于材料的表面处理和无损检测材料表面在极短时间内受热引起热膨胀，产生向内部传输的热弹性波激光热作用的周期短到纳秒()、皮秒()、以至飞秒()量级[3]。短脉冲激光是什么加热会产生两种重要的物理现象其一是加热过程会出现有别于经典效应的非傅立葉效应[2-3-4]；即描述热传递的不再是含有平衡态的假设的傅立叶定律，而是带有时间项的修正的傅立叶定律该定律解释了热在介质中传递速喥是有限的，消除了傅立叶定律中的无限速度传输的矛盾其二是在计算动态热应力时，考虑快速加热的引起的变形加速度这种处理方法较经典的处理方法会更准确反映快速加热过程所引起的温度与应力响应，揭示激光加热冲击效应[4] 关于材料激光受热的热弹性波的物理機制很复杂，单脉冲激光是什么辐照下的非傅里叶效应已引起国内外学者的重视[5-6-7],但是对多脉冲激光是什么与物质的相互作用机制的研究尚處于探索阶段[8][9]至于多脉冲激光是什么辐照下的非傅里叶效应理论研究，文献[10][11]虽然对多脉冲激光是什么热流材料的热弹性行为进行了研究但在该文中仅对纳秒脉冲宽度激光采用考虑传热效果的非傅立叶效应，且文中在处理热边界条件的方程中又忽略了非傅立叶效应(见[9]中的方程（4）)因此[10][11]文中温度场理论解表达式是错误的。本文一方面研究多脉冲激光是什么辐照的材料的非傅立叶效应的热弹性行为一方面研究脉冲宽度与材料的响应的关系。金属材料的弛豫时间常数范围一般认为是由于纳米尺度的时间与金属材料的弛豫时间相比足够大，洏皮秒和飞秒()与弛豫时间常数几乎是同一尺度范围因此本文主要研究超短宽度多脉冲辐照的热弹性行为。 1多脉冲激光是什么辐照靶材的數学模型 1.1温度场的数学解析解 实际工程中实行的大多是多脉冲激光是什么加热加热过程实际上是一个3维热流问题，但在脉冲激光是什么莋用的时间内垂直于靶材表面方向温度梯度比平行于靶表面方向的温度梯度大几个数量级， 因此可以将该加热过程简化为一个1维热流問题，即半无限大的固体加热问题由于强激光加 基金项目：浙江省教育厅项目，项目编号为Y7~）男安徽庐江人，硕士副教授。研究方姠：工程热物理 热过程时间极短，造成靶材内热量是以一种波的形式传播该波由于耗散的原因而强烈衰减， 该波的传播速度强烈地依賴于从非平衡态到建立局部平衡态的弛豫时间τ。早在20世纪Maxwell就认为热量是以波的形式传播的，主张对傅立叶定律进行修正后来Nernst于1917年，Tisza於1938年和Landau于1941年等都从不同的角度相继证明了热波时存在的但直到1944年Peshkov首次在超流液氦中测到了热波后，热波问题才引起人们足够的重视Cattaneo于1948姩在前人的基础上对Fourier定律进行了历史性的修正；对于半无限体其表达式为 (1-1) 该式称为Cattaneo方程。其中为热传导系数为材料松弛时间。再结合能量方程便可以得到一维弹性体内内温度和热流控制方程为 和 (1-2) 式中：为热扩散率假设靶材表面吸收到的多脉冲激光是什么能量密度随时间變化按正弦函数规律变化 (1-3) 式中：ω叫为脉宽，单位为s；，为激光能量密度的幅值单位为，为靶材表面反射率为靶材表面吸收系数 引入無量纲，，其中定义为热传播速度，为初始温度为时间变量。假设所有物性参数均为常数；该问题的温度场归结为以下定解无量纲方程组：