CN111931408A - 一种激光层裂过程的有限元模拟方法 - Google Patents

一种激光层裂过程的有限元模拟方法 Download PDF

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CN111931408A CN202010811807.9A CN202010811807A CN111931408A CN 111931408 A CN111931408 A CN 111931408A CN 202010811807 A CN202010811807 A CN 202010811807A CN 111931408 A CN111931408 A CN 111931408A
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Abstract

本申请公开了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，可以模拟激光产生的冲击波在粘接结构中的传播过程，使得冲击波的传播过程可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析，同时，根据模拟的层裂状态，可以对实验方案中的激光参数的选取进行调控及优化，降低了实验成本。

Description

一种激光层裂过程的有限元模拟方法
技术领域
本申请涉及激光层裂技术领域，尤其涉及一种激光层裂过程的有限元模拟方法。
背景技术
激光层裂法是一种检测粘接结构的粘接面强度的新型技术，它是利用高能量、短脉冲的激光透过约束层后辐照在材料表面的吸收层上，在吸收层和约束层的共同作用下形成冲击波，并向材料内部传播。当冲击波传播到材料自由表面后会被全反射形成拉伸应力波，当材料内部某处的拉伸应力波的强度超过材料的动态抗拉强度时，此处的材料就会产生层裂。在冲击的同时，通过检测并分析材料的动态响应信号即可快速对界面强度进行比较或判定。
粘接结构存在多个界面，冲击波在每个界面处都会产生反射和透射，这些反射和透射的应力波还会相互叠加，使得冲击波在材料内部的转播过程比较复杂。此外，不同材料、不同结构及不同厚度的粘接结构也会对冲击波的传播产生直接影响。因此，在对不同的粘接结构进行激光层裂时，需要对激光参数(如脉宽、脉冲能量、光斑直径)的选取进行优化，使反射应力波的最大拉应力在需要检测的粘接面处产生，避免最大拉应力对粘接结构的其他部位产生损伤。
如果仅依靠实验对激光参数进行优化，则会造成大量时间及资金的浪费。而通过数值模拟不仅可以对激光参数进行优化，还可以对冲击波的传播过程进行可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析。因此迫切需要一种可靠的有限元模型对激光层裂过程进行数值模拟。
发明内容
本申请提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，用于解决现有激光层裂中的激光参数的选取只能依靠实验进行优化的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，包括以下步骤：
S101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；
S102：根据所述粘接组成材料的物理属性对所述步骤S101中建立的所述粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对所述粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；
S103：根据所述粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；
S104：在所述粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；
S105：根据激光预设参数确定作用于所述粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；
S106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；
S107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对所述粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；
S108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。
优选地，所述步骤S101具体包括：将各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化为二维几何模型，将含有各向异性材料组成的粘接结构简化为1/4三维几何模型，然后，根据简化后的几何模型的几何尺寸在ABAQUS有限元软件中建立对应的粘接结构几何模型。
优选地，所述步骤S102具体包括：根据实际材料物理参数进行设定的材料属性包括：材料密度、杨氏模量、泊松比与应变率为10E2/s以上的应力应变关系，设定的本构关系包括：通过ABAQUS有限元软件的子程序设置金属材料采用Johnson-Cook本构方程，并设置非金属材料采用应变率为10E2/s以上的弹塑性本构方程，并根据实验预设条件对损伤准则设定为最大主应力损伤准则，损伤演化准则设定为断裂能准则。
优选地，所述步骤S103具体包括：根据预设冲击波状态与所述粘接结构几何模型的边界条件，创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度V及材料的厚度计算并设置分析步时间tstep，
Figure BDA0002631253370000031
其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数，根据预设的网格尺寸及声波传播速度计算并设置增量步Δt，
Figure BDA0002631253370000032
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，ΔL为预设的网格尺寸，声速
Figure BDA0002631253370000033
E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度；
同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型，其中，所述场变量输出类型包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
优选地，所述步骤S105具体包括：采用幅值曲线设置加载的冲击波随加载时间的变化关系P(t)，冲击波随加载时间的变化关系P(t)由激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)获得；采用加载函数设置加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)由激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)获得。
优选地，所述步骤S106具体包括：计算并设定网格单位尺寸，网格单元尺寸ΔL的计算公式为
Figure BDA0002631253370000034
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，τ为激光脉宽；
同时，根据有限元模型的分析步类型确定并设定网格单元类型，网格单元类型设置具体包括：当三维模型侧面无限单元的单元类型设置为CIN3D8单元时，所述三维模型除侧面外的其余单元类型设置为C3D8R单元；当二维模型侧面无限单元的单元类型设置为CINPE4单元时，所述二维模型除侧面外的其余单元类型设置为CPE4R单元；并根据设定的网格单元尺寸与网格单位类型对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构有限元几何模型。
优选地，所述步骤S107具体包括：基于ABAQUS有限元软件的分析功能对所述粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，其中，所述场变量包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请实施例提供了一种激光层裂过程的有限元模拟方法，可以模拟激光产生的冲击波在粘接结构中的传播过程，使得冲击波的传播过程可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析，同时，根据所输出的模拟仿真数据，可以指导实验方案中的激光参数的选取进行优化，降低了实验成本。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的几何模型的边界条件及施加载荷示意图；
图3为本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的激光脉冲电压V(t)和冲击波压力P(t)随时间变化示意图；
图4为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的平顶光斑能量密度示意图；
图5为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的平顶光斑能量密度分布曲线图；
图6为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例1的有限元模型在1.0098E-7s时的应力云图；
图7为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例1的有限元模型层裂的应变云图；
图8为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例1的实验层裂试样的SEM图；
图9为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例2的有限元模型在1.0012E-7s时的应力云图；
图10为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例2的有限元模型层裂的应变云图；
图11为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的示例2的实验层裂试样的SEM图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的一个实施例。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法，包括：
S101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；
S102：根据粘接组成材料的物理属性对步骤S101中建立的粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；
需要说明的是，粘接结构几何模型的材料属性根据实际粘接组成材料的物理属性进行设定，也就是在粘接结构几何模型中设置实际中的粘接结构材料的所有物理参量，使得粘接结构几何模型与实际中的粘接结构材料一致，避免模拟结果与实际出现较大误差。
S103：根据粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；
需要说明的是，根据预设求解结果设置场变量输出类型，可以避免最终输出的结果出现其它干扰输出类型从而影响模拟结果，同时，降低了计算工作量。
S104：在粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；
需要说明的是，在粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束具体可以在粘接结构几何模型的侧边与简化对称面分别设置全自由度约束与对称约束，从而使得粘接结构几何模型无法运动，以满足激光冲击粘接结构的物理状态；
S105：根据激光预设参数确定作用于粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；
S106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对粘接结构几何模型进行网格划分，从而将粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；
S107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；
S108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。
需要说明的是，具体而言，激光的脉宽会影响层裂在粘接结构中产生的位置，脉宽不同时冲击波反射叠加后产生最大拉应力的位置不同，则层裂产生的位置不同，光斑直径和脉冲能量会影响层裂产生的大小，光斑直径和脉冲能量不同时冲击波压力大小不同，则产生最大拉应力的大小不同，从而层裂产生的大小不同。因此，通过查看激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，可以得到此激光预设参数中的脉宽、光斑直径和脉冲是否满足预设的理想效果，从而对所需激光参数进行调控，实现优化参数的选取。
通过本实施例，可以模拟激光产生的冲击波在粘接结构的传播过程中，使得冲击波的传播过程可视化，以便更好地对层裂过程及冲击波的动态响应过程进行分析，同时，根据所输出的模拟仿真数据，可以指导实验方案中的激光参数的选取进行优化，降低了实验成本。
以上为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的一个实施例，以下为本申请提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的另一个实施例。
本实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法，其包括以下步骤：
S201：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；
S202：根据粘接组成材料的物理属性对步骤S201中建立的粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；
需要说明的是，粘接结构几何模型的材料属性根据实际粘接组成材料的物理属性进行设定，也就是在粘接结构几何模型中设置实际中的粘接结构材料的所有物理参量，使得粘接结构几何模型与实际中的粘接结构材料一致，避免模拟结果与实际出现较大误差。
S203：根据粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；
需要说明的是，根据预设求解结果设置场变量输出类型，可以避免最终输出的结果出现其它干扰输出类型从而影响模拟结果，同时，降低了计算工作量。
S204：在粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；
需要说明的是，在粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束具体可以在粘接结构几何模型的侧边与简化对称面分别设置全自由度约束与对称约束，从而使得粘接结构几何模型无法运动，以满足激光冲击粘接结构的物理状态；
S205：根据激光预设参数确定作用于粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；
S206：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对粘接结构几何模型进行网格划分，从而将粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；
S207：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；
S208：根据步骤S207中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。
需要说明的是，具体而言，激光的脉宽会影响层裂在粘接结构中产生的位置，脉宽不同时冲击波反射叠加后产生最大拉应力的位置不同，则层裂产生的位置不同，光斑直径和脉冲能量会影响层裂产生的大小，光斑直径和脉冲能量不同时冲击波压力大小不同，则产生最大拉应力的大小不同，从而层裂产生的大小不同。因此，通过查看激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，可以得到此激光预设参数中的脉宽、光斑直径和脉冲是否满足预设的理想效果，从而对所需激光参数进行调控，实现优化参数的选取。
进一步地，步骤S201具体包括：将各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化为二维几何模型，将含有各向异性材料组成的粘接结构简化为1/4三维几何模型，然后，根据简化后的几何模型的几何尺寸在ABAQUS有限元软件中建立对应的粘接结构几何模型。
需要说明的是，简化步骤是根据材料、边界条件及载荷的对称性进行简化的，从而减少了计算量；另外，各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化的二维几何模型中的材料是不含有各向异性材料的。
进一步地，步骤S202具体包括：根据实际材料物理参数进行设定的材料属性包括：材料密度、杨氏模量、泊松比与应变率为10E2/s以上的应力应变关系，设定的本构关系包括：通过ABAQUS有限元软件的子程序设置金属材料采用Johnson-Cook本构方程，并设置非金属材料采用应变率为10E2/s以上的弹塑性本构方程，并根据实验预设条件对损伤准则设定为最大主应力损伤准则，损伤演化准则设定为断裂能准则。
需要说明的是，判断金属材料或非金属材料是实际的粘接结构来确定的。
7、进一步地，步骤S203具体包括：根据预设冲击波状态与粘接结构几何模型的边界条件，创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度V及材料的厚度计算并设置分析步时间tstep，
Figure BDA0002631253370000081
其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数，根据预设的网格尺寸及声波传播速度计算并设置增量步Δt，
Figure BDA0002631253370000091
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，ΔL为预设的网格尺寸，声速
Figure BDA0002631253370000092
E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度；
同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型，其中，场变量输出类型包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
进一步地，步骤S205具体包括：采用幅值曲线设置加载的冲击波随加载时间的变化关系P(t)，冲击波随加载时间的变化关系P(t)由激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)获得；采用加载函数设置加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)由激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)获得。
需要说明的是，激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)可以由示波器进行测得，而测得的变化关系结果转化为冲击波随加载时间的变化关系为现有技术，在此不做赘述；
另外，激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)可由激光能量计测得，而测得的变化关系结果转化为冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)为现有技术，在此不做赘述。
进一步地，步骤S206具体包括：计算并设定网格单位尺寸，网格单元尺寸ΔL的计算公式为
Figure BDA0002631253370000093
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，τ为激光脉宽；
同时，根据有限元模型的分析步类型确定并设定网格单元类型，网格单元类型设置具体包括：当三维模型侧面无限单元的单元类型设置为CIN3D8单元时，三维模型除侧面外的其余单元类型设置为C3D8R单元；当二维模型侧面无限单元的单元类型设置为CINPE4单元时，二维模型除侧面外的其余单元类型设置为CPE4R单元；并根据设定的网格单元尺寸与网格单位类型对粘接结构几何模型进行网格划分，从而将粘接结构几何模型离散化为粘接结构有限元几何模型。
进一步地，步骤S207具体包括：基于ABAQUS有限元软件的分析功能对粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，其中，场变量包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
以下为结合本申请实施例提供的一种激光层裂过程的有限元模拟方法的部分实施示例。
示例1
以两个7075-T7351铝合金板通过3M DP460环氧胶粘接组成的粘接结构(其中，上部铝合金板的长为10mm，宽为10mm，厚度为0.5mm，下部铝合金板的长为10mm，宽为10mm，厚度为0.1mm，粘接部的胶水厚度为0.2mm)为例进行有限元模拟，包括以下步骤：
S301：在ABAQUS软件中将上述粘接结构简化并建立厚度为0.8mm、长度为10mm的粘接结构二维几何模型，并分别划分为铝合金、环氧胶及铝合金板三个部分构成的粘接结构，其中，上部铝合金的厚度为0.5mm，环氧胶的厚度为0.2mm，下部铝合金粘接结构的厚度为0.1mm。
S302：在建立的粘接结构二维几何模型中设置7075-T7351铝合金的密度为2780Kg/m3，杨氏模量为70000MPa，泊松比为0.33，并通过ABAQUS软件的VUMAT子程序对材料的本构关系进行设定，具体为，采用Johnson-Cook本构方程描述7075-T7351铝合金在10E2/s以上的应力-应变关系，Johnson-Cook本构方程为公式(1)
Figure BDA0002631253370000101
其中，A为参考应变率下的屈服强度，B为材料应变硬化模量，n为硬化指数，C为应变率强化参数，
Figure BDA0002631253370000102
参考应变率；
在本示例中，A＝430MPa，B＝350MPa，n＝0.4，C＝0.12，
Figure BDA0002631253370000103
在应变率为10E2/s时的3M DP460环氧胶作为准脆性材料，密度为1800Kg/m3，杨氏模量为6000MPa，泊松比为0.2，抗拉强度和剪切强度皆为600MPa，采用弹性本构方程描述3MDP460环氧胶在应变率为10E2/s的的应力-应变关系，其中，公式(2)～(4)为弹性本构方程：
Figure BDA0002631253370000111
Figure BDA0002631253370000112
Figure BDA0002631253370000113
其中，公式(2)～(4)中的E表示为弹性模量，μ为泊松比。
损伤准则为最大主应力损伤准则，由公式(5)-(6)给出：
Figure BDA0002631253370000114
Figure BDA0002631253370000115
其中，公式(5)～(6)中，σo max为最大临界主应力。
损伤演化规则为断裂能准则，由公式(7)～(8)给出：
Figure BDA0002631253370000116
Gc＝Gn+Gt (8)
其中，公式(7)～(8)中，Gn、Gt分别为单独沿两个方向做的功，
Figure BDA0002631253370000117
Figure BDA0002631253370000118
分别为单独沿两个方向作用时的断裂能，β为能量系数。
S303：创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度及材料的厚度设置分析步所需时间tstep为0.0003s，计算公式由公式(9)给出：
Figure BDA0002631253370000119
其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数。在本示例中，Ai代表铝合金，i＝2，A1＝0.5mm，A2＝0.1mm，
Figure BDA00026312533700001110
Bj代表环氧胶，j＝1，B1＝0.2mm，V1＝5017m/s，V2＝1825m/s，根据公式
设置增量步为5E-10；
在场变量中分别设置应力、应变、位移、速度及损伤状态的输出。
S304：如图2所示，在几何模型侧边设置全自由度约束。
S305：如图3所示，将激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)换算成加载冲击波随加载时间的变化关系P(t)，并采用幅值曲线进行设置；同时，如图4与图5所示，将激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)换算加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，并采用加载函数进行设置，本示例中，激光能量分布为平顶光斑，光斑直径为2mm，脉宽为10ns，能量密度为7.9GW/cm2。
S306：根据公式
Figure BDA0002631253370000121
将网格尺寸设置为0.005mm，如图2所示，侧边的无限单元设置单元类型为CINPE4，其余单元设置单元类型为CPE4R，并对粘接结构几何模型进行网格划分，从而将粘接结构几何模型离散化为孤立的粘接结构有限元几何模型。
S307：基于ABAQUS有限元软件的求解功能提交VUMAT子程序创建分析步作业对粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，如图6所示，图6表示为本示例得到的有限元模型在1.0098E-7s时的应力云图，通过图6可以可视化冲击波在粘接结构中的传播状态，如图7所示，图7表示为本示例得到的有限元模型层裂的应变云图，通过图7可以得到层裂在粘接结构中产生的位置及大小，而图8表示为本示例的实验层裂试样的SEM图，通过图7与图8进行比较，容易看出的是，本示例的模拟结果与实验层裂试样比较，其最终的层裂结构一致，说明本示例的输出结果准确有效。
示例2
以两个7075-T7351铝合金板通过3M DP460环氧胶粘接组成的粘接结构(其中，上部铝合金板的长为10mm，宽为10mm，厚度为0.5mm，下部铝合金板的长为10mm，宽为10mm，厚度为0.1mm，粘接部的胶水厚度为0.2mm)为例进行有限元模拟，包括以下步骤：
S401：在ABAQUS软件中将上述粘接结构简化并建立厚度为0.8mm、长度为10mm的粘接结构二维几何模型，并分别划分为铝合金、环氧胶及铝合金板三个部分构成的粘接结构，其中，上部铝合金的厚度为0.5mm，环氧胶的厚度为0.2mm，下部铝合金粘接结构的厚度为0.1mm。
S402：在建立的粘接结构二维几何模型中设置7075-T7351铝合金的密度为2780Kg/m3，杨氏模量为70000MPa，泊松比为0.33，并通过ABAQUS软件的VUMAT子程序对材料的本构关系进行设定，具体为，采用Johnson-Cook本构方程描述7075-T7351铝合金在10E2/s以上的应力-应变关系，Johnson-Cook本构方程为公式(10)
Figure BDA0002631253370000131
其中，A为参考应变率下的屈服强度，B为材料应变硬化模量，n为硬化指数，C为应变率强化参数，
Figure BDA0002631253370000138
参考应变率；
在本示例中，A＝430MPa，B＝350MPa，n＝0.4，C＝0.12，
Figure BDA0002631253370000137
在应变率为10E2/s时的3M DP460环氧胶作为准脆性材料，密度为1800Kg/m3，杨氏模量为6000MPa，泊松比为0.2，抗拉强度和剪切强度皆为600MPa，采用弹性本构方程描述3MDP460环氧胶在应变率为10E2/s的的应力-应变关系，其中，公式(11)～(14)为弹性本构方程：
Figure BDA0002631253370000132
Figure BDA0002631253370000133
Figure BDA0002631253370000134
其中，公式(11)～(13)中的E表示为弹性模量，μ为泊松比。
损伤准则为最大主应力损伤准则，由公式(14)-(15)给出：
Figure BDA0002631253370000135
Figure BDA0002631253370000136
其中，公式(14)～(15)中，σo max为最大临界主应力。
损伤演化规则为断裂能准则，由公式(16)～(17)给出：
Figure BDA0002631253370000141
Gc＝Gn+Gt (17)
其中，公式(16)～(17)中，Gn、Gt分别为单独沿两个方向做的功，
Figure BDA0002631253370000142
分别为单独沿两个方向作用时的断裂能，β为能量系数。
S403：创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度及材料的厚度设置分析步所需时间tstep为0.0003s，计算公式由公式(18)给出：
Figure BDA0002631253370000143
其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数。在本示例中，Ai代表铝合金，i＝2，A1＝0.5mm，A2＝0.1mm，Bj代表环氧胶，j＝1，B1＝0.2mm，V1＝5017m/s，V2＝1825m/s，根据公式
Figure BDA0002631253370000144
设置增量步为5E-10；
在场变量中分别设置应力、应变、位移、速度及损伤状态的输出。
S404：如图2所示，在几何模型侧边设置全自由度约束。
S405：如图3所示，将激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)换算成加载冲击波随加载时间的变化关系P(t)，并采用幅值曲线进行设置；同时，如图4与图5所示，将激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)换算加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，并采用加载函数进行设置，本示例中，激光能量分布为平顶光斑，光斑直径为2mm，脉宽为10ns，能量密度为4GW/cm2。
S406：根据公式
Figure BDA0002631253370000145
将网格尺寸设置为0.005mm，如图2所示，侧边的无限单元设置单元类型为CINPE4，其余单元设置单元类型为CPE4R，并对粘接结构几何模型进行网格划分，从而将粘接结构几何模型离散化为孤立的粘接结构有限元几何模型。
S407：基于ABAQUS有限元软件的求解功能提交VUMAT子程序创建分析步作业对粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，如图9所示，图9表示为本示例得到的有限元模型在1.0098E-7s时的应力云图，通过图9可以可视化冲击波在粘接结构中的传播状态，如图10所示，图10表示为本示例得到的有限元模型层裂的应变云图，通过图10可以得到层裂在粘接结构中产生的位置及大小，而图11表示为本示例的实验层裂试样的SEM图，通过图10与图11进行比较，容易看出的是，本示例的模拟结果与实验层裂试样比较，其最终的层裂结构一致，说明本示例的输出结果准确有效。
通过上述两个示例中的云图对比，可以很容易看出在不同激光能量密度下，对粘接结构的拉应力也不同，进而确定激光层裂参数，具体包括对激光脉宽、脉冲能量与光斑直径的数值进行选取，进而选取最优的能量密度参数数值。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-Only Memory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据粘接结构中的各粘接组成材料的几何尺寸建立粘接结构几何模型；
S102：根据所述粘接组成材料的物理属性对所述步骤S101中建立的所述粘接结构几何模型的材料属性进行设定，并通过ABAQUS有限元软件的子程序对所述粘接组成材料的本构关系、损伤准则与损伤演化准则进行设置；
S103：根据所述粘接结构几何模型的预设边界条件、预设载荷及预设场变量输出类型创建分析步，并设置预先计算得到的分析步时间与增量步，同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型；
S104：在所述粘接结构几何模型的侧边设置全自由度约束；
S105：根据激光预设参数确定作用于所述粘接结构几何模型的冲击波载荷大小随加载时间及加载位置的变化方式；
S106：通过设定网格单元尺寸与网格单元类型，对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构的有限模型；
S107：基于ABAQUS有限元软件的求解功能对所述粘接结构的有限模型创建分析作业从而进行有限元求解，求解后输出场变量的应力云图，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小；
S108：根据步骤S107中得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，进而对所需激光参数进行调控。
2.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S101具体包括：将各向同性材料或正交异性材料组成的粘接结构简化为二维几何模型，将含有各向异性材料组成的粘接结构简化为1/4三维几何模型，然后，根据简化后的几何模型的几何尺寸在ABAQUS有限元软件中建立对应的粘接结构几何模型。
3.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：根据实际材料物理参数进行设定的材料属性包括：材料密度、杨氏模量、泊松比与应变率为10E2/s以上的应力应变关系，设定的本构关系包括：通过ABAQUS有限元软件的子程序设置金属材料采用Johnson-Cook本构方程，并设置非金属材料采用应变率为10E2/s以上的弹塑性本构方程，并根据实验预设条件对损伤准则设定为最大主应力损伤准则，损伤演化准则设定为断裂能准则。
4.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S103具体包括：根据预设冲击波状态与所述粘接结构几何模型的边界条件，创建Dynamic-Explicit分析步，根据声波在材料中的传播速度V及材料的厚度计算并设置分析步时间tstep，
Figure FDA0002631253360000021
其中，Ai，Bj，Ck表示不同材料属性的材料厚度，V1，V2，V3表示声波分别在厚度为Ai，Bj，Ck对应的材料中的传播速度，i、j、k表示某一种材料在粘接结构中的层数，根据预设的网格尺寸及声波传播速度计算并设置增量步Δt，
Figure FDA0002631253360000022
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，ΔL为预设的网格尺寸，声速
Figure FDA0002631253360000023
E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度；
同时，根据预设求解结果设置场变量输出类型，其中，所述场变量输出类型包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
5.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S105具体包括：采用幅值曲线设置加载的冲击波随加载时间的变化关系P(t)，冲击波随加载时间的变化关系P(t)由激光脉冲电压V随时间的变化曲线V(t)获得；采用加载函数设置加载的冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)，冲击波随加载位置的变化关系P(x,y)由激光光斑的能量密度Φ在x和y方向的分布函数Φ(x,y)获得。
6.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S106具体包括：计算并设定网格单位尺寸，网格单元尺寸ΔL的计算公式为
Figure FDA0002631253360000024
其中，Vmax表示为声波在粘接结构各材料中传播速度最快的对应材料的声速，τ为激光脉宽；
同时，根据有限元模型的分析步类型确定并设定网格单元类型，网格单元类型设置具体包括：当三维模型侧面无限单元的单元类型设置为CIN3D8单元时，所述三维模型除侧面外的其余单元类型设置为C3D8R单元；当二维模型侧面无限单元的单元类型设置为CINPE4单元时，所述二维模型除侧面外的其余单元类型设置为CPE4R单元；并根据设定的网格单元尺寸与网格单位类型对所述粘接结构几何模型进行网格划分，从而将所述粘接结构几何模型离散化为粘接结构有限元几何模型。
7.根据权利要求1所述的激光层裂过程的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤S107具体包括：基于ABAQUS有限元软件的分析功能对所述粘接结构有限元几何模型进行分析作业从而进行有限元求解，求解后对场变量与历程变量的输出结果进行云图查看，从而得到激光冲击粘接结构后产生的层裂位置与大小，其中，所述场变量包括应力、应变、位移、速度与损伤状态。
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