【摘要】：科技的進步,微電子器件應(yīng)用需求的擴大,促進了超短脈沖激光技術(shù)的快速發(fā)展,這使得時間極短(飛秒量級)條件下的熱力耦合問題逐漸被學者們重視。在求解熱力耦合問題時,為了解決常規(guī)積分變換方法中涉及的數(shù)值逆變換所引起的計算精度降低這一關(guān)鍵問題,本文運用COMSOL有限元軟件在時間域內(nèi)直接求解熱力耦合問題的控制方程。盡管常用的順序耦合求解方式中單個物理場的有限元總剛度矩陣要比全耦合求解方式中多物理場的有限元總剛度矩陣小很多,但是順序解耦方式需要在物理場之間進行反復(fù)迭代從而導(dǎo)致精度丟失。因此,考慮到全耦合求解方式在處理非線性多物理場強耦合問題時的優(yōu)越性,本文采用全耦合求解方式。許多相關(guān)研究已經(jīng)表明當施加熱荷載的時間與介質(zhì)的熱松弛時間相當、及介質(zhì)材料的特征尺寸小于或相當于熱載子的平均自由程時,熱信號的傳播速度是有限的。這與傅里葉熱傳導(dǎo)模型所預(yù)測的結(jié)果并不一致。為解決這一問題,研究學者通過引入松弛時間的概念來考慮熱信號的有限性傳播。為能夠準確描述時間極短情形下的熱力耦合現(xiàn)象,完善經(jīng)典熱彈理論的不足,學者們已經(jīng)建立了多種可以描述熱以有限速度傳播的非傅里葉熱傳導(dǎo)模型,包括熱波模型(C-V模型)、單相滯后模型、雙相滯后模型、三相滯后模型、熱-質(zhì)模型等,從而進一步完善了相應(yīng)的廣義熱彈性理論體系。本文的主要工作包括:(1)首先基于L-S型廣義熱彈性理論模型,通過文獻的對比驗證了全耦合求解方式的正確性與可靠性。(2)基于L-S型廣義熱彈性理論求解了鎳薄膜在熱沖擊作用下的三維熱力耦合瞬態(tài)響應(yīng)問題,首先推導(dǎo)了柱坐標系下的熱力耦合控制方程,根據(jù)所推導(dǎo)的L-S型廣義熱彈性理論的變分原理表達式建立了相應(yīng)的有限元控制方程,最后通過無量綱化后的熱力耦合控制方程組確定了相應(yīng)的PDE系數(shù)矩陣,得到了鎳薄膜內(nèi)溫度、位移及應(yīng)力的分布,討論了熱松弛時間對鎳薄膜熱彈性響應(yīng)的影響,同時還研究了激光脈寬對鎳薄膜熱彈性響應(yīng)的影響。(3)針對鎳薄膜在熱沖擊作用下的三維熱力耦合瞬態(tài)響應(yīng)問題,基于雙相滯后熱傳導(dǎo)模型,推導(dǎo)了DPL廣義熱彈性理論的變分原理方程,建立了柱坐標系下相應(yīng)的有限元控制方程,確定了相應(yīng)的PDE系數(shù)矩陣,得到了鎳薄膜內(nèi)溫度的分布規(guī)律,研究了短脈沖激光沖擊鎳薄膜所表現(xiàn)的非傅里葉熱傳導(dǎo)行為與熱波之間的關(guān)系,并討論了松弛時間參數(shù)對鎳薄膜內(nèi)熱的傳播特性的影響。(4)針對考慮熱松弛效應(yīng)的三維熱力耦合問題,基于三相滯后熱傳導(dǎo)模型,推導(dǎo)了TPL廣義熱彈性理論的變分原理方程,建立了柱坐標系下相應(yīng)的有限元耦合控制方程,確定了相應(yīng)的PDE系數(shù)矩陣。分別討論了熱流滯后相、溫度梯度滯后相和熱位移梯度滯后相三種熱松弛時間參數(shù)對受熱沖擊的鎳薄膜內(nèi)的熱位移、溫度分布、位移以及應(yīng)力變化規(guī)律的影響。(5)通過對比分析7種廣義熱彈性理論對短脈沖激光沖擊鎳薄膜三維瞬態(tài)熱力耦合問題的計算結(jié)果,比較了7種廣義熱彈性理論的差異。發(fā)現(xiàn)經(jīng)典熱彈理論、L-S理論、G-L理論、Ⅱ型G-N理論、DPL理論和TPL理論6種理論得到的溫度波的傳播速度是有限的,而Ⅲ型G-N理論所預(yù)測的溫度波傳播速度是擴散的。結(jié)果還表明,基于TPL理論與L-S理論對鎳薄膜內(nèi)的位移u_r計算結(jié)果影響不大,但對溫度、位移u_z和應(yīng)力有很大影響。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O343.6;O175
【圖文】：

結(jié)果進行了對比，工作目的是為了驗證該方法各向同性的半無限大鎳材料金屬板（ x 0, 到一激光脈沖的熱沖擊作用。 如圖 2-1 所示，所有的變量與 Z(板厚度方向)無關(guān)，位移僅有面應(yīng)力問題處理。半無限大板在 AB 邊上的局載荷對稱分布，模型幾何尺寸對稱，因此可取模中無量綱尺寸大小 OC=1，OB=1.2，激光脈寬選取足夠大，能夠保證在求解的時間域內(nèi)熱彈彈性波的反彈疊加而引起數(shù)值震蕩。問題包括構(gòu)方程、幾何方程、熱傳導(dǎo)方程和能量方程。

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本文編號：2731036