Численное исследование термомеханических процессов при короткоимпульсном лазерном облучении полупространства

Abstract

Лазерне опромінення металевих поверхонь інтенсивними тепловими джерелами використовується для генерації коротких зондуючих імпульсів, які поширюються всередину тонких зразків і дозволяють оцінювати структуру та механічні властивості останніх в рамках класичного акустичного підходу. При короткочасному опроміненні поверхні конструкції джерелом енергії високої густини виникають великі теплові напруження і залишкові деформації. У даній статті чисельно досліджується осесиметрична задача про термомеханічне навантаження півпростору. При цьому враховується вплив об’ємних і непружних характеристик окремих фаз на залишковий напружено-деформований стан півпростору. Постановка задачі включає співвідношення Коші, рівняння руху, рівняння теплопровідності, початкові умови, теплові та механічні граничні умови. Термомеханічна поведінка ізотропного матеріалу описується уніфікованою моделлю течії Боднера–Партома. Задача розв’язується за допомогою скінченно-елементної методики. Чисельна реалізація задачі проводиться за допомогою покрокового інтегрування за часом. Рівняння руху інтегруються методом Ньюмарка, а рівняння теплопровідності — неявним методом першого порядку. За допомогою методики чисельного розв’язування осесиметричної динамічної задачі для півпростору при термомеханічному навантаженні та моделі течії описано залишковий напружено-деформований стан. Встановлено, що мікроструктурні перетворення, які враховуються через термотрансформаційну деформацію, та залежність непружних характеристик матеріалу від фазового складу суттєво зменшують залишкові непружні деформації та сприяють появі стискальних напружень. Отримано трьохзонну область формування поля залишкових напружень.

The laser irradiation of metallic surfaces by intense heat sources is used for the generation of short probing pulses, which propagate into thin specimens and enable one to estimate their structure and mechanical properties within the framework of the classical acoustic approach. High thermal stresses and residual strains occur during the short-term irradiation of the surface of a construction by an energy source of high density. In the present work, we solve the axially symmetric problem of a half-space under thermomechanical loading. We take into account the influence of volume and inelastic characteristics of separate phases on the residual stress-strain state of the half-space. The statement of the problem includes: Cauchy relations, equations of motion, heat conduction equation, initial conditions, thermal and mechanical boundary conditions. The thermomechanical behavior of an isotropic material is described by the Bodner-Partom unified model of flow. The problem is solved with using the finite element technique. The numerical realization of our problem is performed with the help of step-by-step time integration. The equations of motion are integrated by the Newmark method. The residual stress-strain state is described using the method of numerical solution of the axisymmetric dynamic problem for a half-space under thermomechanical loading and the flow model. We established that microstructural transformations, which are taken into account due to the thermophase volume strain and dependence of inelastic characteristics of the material on the phase composition, significantly reduce residual inelastic strain and promote the appearance of compressive stresses. The three-zone region of residual stresses field formation is obtained.