为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理, 采用有限元分析的方法, 对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型, 模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间, 发现应力损伤先于温度损伤。结果表明, 作为固定边界和自由边界的交汇处, 基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa, 发生应力破坏;Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移, 基底逐步脱离固定;激光作用0.3s时, 遮光Al膜与SiO2膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa, 而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为, 这种行为将加快基底Si材料的滑移, 最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。

基于冯·米塞斯屈服准则和弹塑性本构关系，建立了长脉冲激光辐照7A04铝合金的空间轴对称有限元模型，并利用有限元有限差分混合算法计算了光强为高斯分布的激光光束加热铝合金板时的温度场和热应力场。研究发现目标上表面米塞斯应力主要分布在中心点周围，离中心点相对较远位置处的米塞斯应力很小，对目标几乎不起破坏作用，并且米塞斯等效应力远小于铝合金目标的屈服强度。仿真计算结果与实验结果的一致性证实了该模型的有效性。

分别建立了基于轮廓偏置、长光栅、短光栅三种沉积路径的Ti-6Al-4V合金T型缘条激光立体成形过程热/应力场有限元模型。结果表明熔池最大温度梯度沿竖直方向的分量GYmax比扫描方向的分量GXmax大得多，随成形高度的增加，二者都先下降后快速趋于稳定，最终稳定的GYmax约是GXmax的三倍。短光栅沉积时瞬时最大温度梯度GTmax呈现小幅度的振荡变化，且整体小于另外两种沉积路径。长光栅路径的应力增长速率略大于轮廓偏置路径，短光栅的最小。成形结束后，采用轮廓偏置路径的横、纵向缘条连接处的背面出现应力集中，长光栅沉积的缘条端部存在大范围的应力集中，而采用短光栅沉积的缘条整体应力分布最均匀。沉积结束后，三种沉积方式基板上各个方向的残余应力分布规律基本相同，但是，采用短光栅沉积的基板上应力值比其他两种路径小。

光电探测器吸收激光后的温升以及因温升造成的各种现象，致使探测器遭受到不同程度的损伤。利用热弹性理论对CO2激光器辐照K9玻璃材料进行研究，建立激光辐照材料温升及热应力分布二维平面模型，通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布。研究表明, K9玻璃材料的激光辐照损伤阀值与辐照时间和光斑半径相关。在同一条件下,造成的热应力损伤阀值较熔融损伤的低，故K9玻璃材料的破坏形态为热应力破坏。

在激光超声的研究中,基于得到的温度场分布,把温度场作为新的加载,用有限元结构分析法数值模拟了金属圆管中脉冲激光线源产生的热应力场情况,得到了铝管中周向不同时刻的瞬态应力场,分别给出了在激光作用过程中温度上升阶段和温度下降阶段的周向正应力的等值图分布情况。数值结果表明:周向拉应力最大值处在激光作用区域边缘处,压应力在材料表面激光作用区域中心最大。

针对金属材料的激光立体成形 (MLSF)工艺,利用大型有限元分析工具Ansys的二次开发语言APDL,开发了成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。该模型综合考虑了随温度变化的材料非线性、高斯激光能量分布、对流/辐射换热边界条件、相变以及自由变形约束等一系列问题。通过使用过渡网格划分技术,在提高计算精度的基础上,大幅减少了单元数目,从而实现了金属激光立体成形过程的整体建模。采用移动热源和单元生死技术,对激光成形过程热应力场进行了有效仿真,在准确计算温度场演化规律的基础上,揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场产生的原因。使用该参数化模型便于研究金属激光立体成形工艺条件、不同材料等对成形过程热应力场的影响。

热－力破坏效应是导致光电器件激光损伤的重要因素。以激光与材料相互作用机理为基础，建立了激光辐照光学材料、光电器件的热－力学模型，并对其温度场分布和热应力场分布进行了解析求解。在此基础之上，对激光对K9玻璃、类金刚石薄膜、胶合透镜和HgCdTe探测器的热－力破坏效应进行了数值分析和实验研究。

激光切割玻璃基板是一个复杂的激光与材料相互作用的过程.为了掌握切割过程中热应力场的动态分布,提高切割质量,提出了一种热应力场的仿真方法.在有限元软件Ansys环境下,建立了三维液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元分析模型.采用间接法方式对温度场和热应力场进行耦合;通过APDL参数化编程语言,实现了对激光移动热源及射流冲击换热模型的仿真.仿真结果表明:在切割过程中,激光照射区内表现为压应力,压应力最大值出现在热源中心处;在激光光斑前、后一段距离内及冷却点附近均表现为拉应力.增大冷却效果及减小冷却点与激光光斑间的距离,均可增大拉应力δy 的值.

在考虑随温度变化而变化的热传导、比热容等热物性参数的作用下,建立了直接金属多道烧结的三维有限元分析模型.采用先进行温度场分析、再进行应力场分析的间接热力耦合策略.模拟结果显示,随着烧结过程的进行,由于已烧结部分的影响,最大热应力有减小的趋势;在扫描烧结道的前方有比后方更大的应力分布,这与实验结果相吻合.

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈,为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例,研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法,求解热传导和热弹性力学方程组,由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下,热扩散长度的概念不再适用,因此通过曲线拟合方法,推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系,并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值,因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时,材料发生永久性损伤,损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比,两者吻合得很好。