1 江南大学理学院计算光学实验室，江苏 无锡 214122
2 无锡商业职业技术学院物联网与人工智能学院，江苏 无锡 214153
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
为了研究激光辐照含有表面划痕的熔石英的热应力特性，基于电磁场、热传导及弹塑性力学理论，建立了适用于不同表面缺陷类型的纳秒脉冲激光辐照熔石英的热应力数值模型。利用该模型计算得到平滑表面和划痕表面熔石英在激光辐照后的温度场分布和应力场分布，并通过搭建的激光损伤测试及应力在线测量系统实验验证了所建模型。研究结果表明，熔石英的表面结构引起的光场调制会导致激光辐照后熔石英内部应力增强，并且应力大小与其表面结构尺寸密切相关。研究结果不仅有助于分析含有表面划痕的光学元件的激光损伤机理及残余应力，而且能够对激光加工的热应力调控提供理论依据。
激光技术 激光损伤 应力分布 表面划痕 光场调制 中国激光
2023, 50(12): 1202206
1 成都大学机械工程学院, 成都 610106
2 柳州铁道职业技术学院智能制造学院, 柳州 545616
3 西南科技大学制造科学与工程学院, 绵阳 621010
材料表面应力状态对材料的冲蚀磨损行为起着重要作用。本文利用有限元方法探讨了冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径对微晶玻璃涂层冲蚀应力的影响, 利用常温冲蚀试验机对微晶玻璃涂层在不同冲蚀角度下的体积磨损率进行了测定。结果表明, 随冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径增大, 涂层的冲蚀应力均逐渐增大。在相同的冲蚀角度和冲蚀速度条件下, 磨料粒径对涂层冲蚀应力的提升效果显著。微晶玻璃涂层冲蚀磨损率随冲蚀角度的增大而增加, 其变化规律与冲蚀应力变化趋势基本一致, 从而验证了有限元应力模拟的可靠性。
微晶玻璃涂层 冲蚀磨损 有限元模拟 应力分布 冲蚀角度 冲蚀速度 磨料尺寸 glass-ceramic coating erosion wear finite element simulation stress distribution erosion angle erosion velocity abrasive particle size
1 中国建筑材料科学研究总院有限公司, 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
2 中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
基于真空玻璃的典型结构特征, 分析了大气压差、温差及风载荷作用下真空玻璃的应力分布特征, 给出了最大弯曲拉应力定量计算公式。基于结构抗力设计方法, 分析了长期和短期应力协同作用下真空玻璃的承载性能设计。结果表明, 在给定基片厚度情况下, 随着支撑物间距的增大, 真空玻璃最大弯曲拉应力呈近似线性增长, 在支撑物间距不变情况下, 真空玻璃最大弯曲拉应力随基片厚度增大呈指数式下降趋势。温差引起的最大弯曲拉应力与玻璃基片厚度及长宽尺寸无关, 但与膨胀系数有关, 温差值与其引发的真空玻璃最大弯曲拉应力呈线性关系。相同条件下, 真空玻璃抗风压性能弱于与其等厚度的单片玻璃。在长期和短期应力协同作用下, 宜分别计算不同应力作用时间下真空玻璃的效应设计值进行校核。
真空玻璃 应力分布 大气压差 温差 风载荷 长期应力 短期应力 vacuum glazing stress distribution atmospheric pressure difference temperature difference wind load long-term stress short-term stress
应力发光是某些材料受到机械刺激时产生的发光现象。许多固体材料在压裂过程中会产生应力发光, 但这种破坏性发光限制了材料的实际应用。可再生应力发光的发现为应力发光材料创造了解决现实问题的机会, 其在结构健康诊断、力驱动的新型光源和显示器件以及生物力学应力传感器等领域展现出广泛的应用前景。本文对近二十年来无机可再生应力发光材料的研究进展进行了梳理和总结, 主要介绍无机可再生应力发光材料的分类、表征、机理和应用四个方面, 并讨论了未来研究中所面临的机遇和挑战, 以期对该类材料的研发及应用提供有意义的启示。
应力 传感器 应力发光 应力分布 应力成像 stress sensor mechanoluminescence stress distribution stress imaging
1 中国核动力研究设计院，四川 成都 610213
2 西南交通大学材料科学与工程学院，四川 成都 610031
激光熔覆层的组织和应力对熔覆层的裂纹控制具有重要影响，而熔覆层的组织和应力与熔覆过程中的预热温度密切相关。本文在铸钢基体表面激光熔覆铁基粉末制备了熔覆层，分析了不同预热温度下熔覆层的组织和应力分布规律。结果表明：预热温度越高，熔覆层与基体之间的元素相互作用越强；当预热温度为100 ℃时，熔覆层中的应力峰值明显降低，平行于扫描方向的残余应力峰值从室温时的594 MPa减小到442 MPa，垂直于扫描方向的残余应力峰值从室温时的579 MPa减小到383 MPa；当预热温度为200 ℃时，应力的降低效果显著减弱；当预热温度为300 ℃，与常温相比，组织应力的影响较大，导致残余应力水平显著提高。
激光技术 激光熔覆 预热温度 残余应力分布 微观组织 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0714004
1 江南大学理学院, 江苏 无锡 214122
2 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室, 上海 201800
为了研究CO2激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO2激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO2激光修复工艺的改进提供了理论依据。
激光光学 激光损伤 三维应力分布 熔石英玻璃 温度场 有限元法
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Material Chemistry, Graduate School of Engineering, Kyoto University, Kyoto 615-8510, Japan
2 National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, Kansai Photon Science Institute, Kyoto 619-0215, Japan
Suppression of stress and crack generation during picosecond laser processing in transparent brittle materials such as glass was successfully demonstrated by a picosecond laser pulse with temporal energy modulation. The origin of deterioration in processing accuracy could be interpreted in terms of the discontinuous movement of plasma in the vicinity of the focus. To reveal the effectiveness of the temporal energy modulation for smooth machining, such plasma motion was simulated by the finite-difference time-domain method. Furthermore, photoinduced birefringence was observed using a high-speed polarization camera.
picosecond laser energy modulation burst pulse material processing stress distribution Chinese Optics Letters
2020, 18(12): 123801
采用ABAQUS有限元分析软件, 建立了一种“焊接+激光冲击强化(LSP)”应力分布模型, 研究了不同能量LSP对316L不锈钢氩弧焊焊缝区域应力分布及应变的影响。研究结果表明, 由该模型模拟得到的残余应力分布与试验结果一致。LSP在焊缝区域表面诱导出残余压应力层, 消除了焊接热影响引起的残余拉应力; 随着激光脉冲能量的增大, 激光冲击诱导的残余压应力以及压应力层厚度增加, 但增加幅度减小; 焊接件表面应变峰值随着激光脉冲能量的增加而增大。
激光技术 激光冲击强化 有限元分析 氩弧焊 残余应力分布 应变 激光与光电子学进展
2017, 54(10): 101411
四川大学 电子信息学院, 激光微纳工程研究所, 成都 610064
流体直接冷却Nd: YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响; 模拟了不同冷却液的冷却效果; 研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系; 得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明：流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0～2.25 mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。
片状激光器 热交换系数 温度分布 应力分布 波前畸变 流体直接冷却 thin disk laser heat transfer coefficient temperature distribution thermal stress distribution wavefront distortion liquid direct cooling 强激光与粒子束
2017, 29(8): 081002
1 同济大学材料科学与工程学院， 上海 201804
2 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心， 上海 200050
在1060~1100 ℃的温度范围内和真空条件下对Nd,Y∶SrF2激光晶体进行了高温退火处理，测试了高温退火前后Nd,Y∶SrF2晶体的X射线双晶摇摆曲线、抗弯强度、应力分布和波前畸变图谱。结果表明,高温退火能有效改善晶体的结晶性能、抗弯强度、应力分布和光学均匀性。当退火温度为1080 ℃、退火时间为36 h时，获得的晶体综合性能最优，该温度和时间为最佳退火参数。
材料 Y∶SrF2晶体 退火 结晶性能 抗弯强度 应力分布 光学均匀性
