CN116305765A - 高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法及系统，方法包括S100：将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构；S200：在t＝0时刻，根据激光入射的方向遍历所有单元，获得单元外表面的法向量；S300：设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程；S400：获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断；S500：若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面。本发明实现了入射激光与受辐照目标呈一定倾角情况下的热源载荷计算，提高了仿真模型计算精度。
Description
技术领域
本发明属于高能激光技术领域，更具体地，涉及一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法及系统，用于高精度计算树脂基纤维增强复合材料的激光辐照形貌和多层材料的烧蚀过程。
背景技术
复合材料一般由两种及以上材料通过特殊的工艺制造方法组合而成，其中一种为增强相，而另一种或多种为基体相。复合材料吸收了增强相和基体相各自的优点，表现出更为优异的材料综合性能。以树脂为基体相的纤维增强复合材料在航空航天领域应用十分广泛，包括碳纤维环氧树脂、碳纤维酚醛树脂、玻璃纤维环氧树脂等，已成为飞机蒙皮、无人机机身、雷达头罩等关键零部件的重要组成材料。
近年来，随着激光技术的快速发展，高能激光与复合材料的作用机理已引起广泛关注。同时，由于计算机技术的发展成熟以及从节省人力物力成本的消耗角度出发，通过构建激光辐照物理模型，进行仿真计算已成为一种广泛采用的研究方法。专利文献CN110991097A公开了一种激光烧蚀碳纤维靶材温度场的计算方法，将碳纤维复合材料靶材等效成一种均匀的材质，基于有限元计算方法分析了激光辐照碳纤维复合材料的温度场和烧蚀情况，但是这种方法没有考虑复合材料实际是由两种以上材料组成的，等效成一种均匀介质难以反映实际条件下复合材料的烧蚀情况。专利文献CN112651156A公开了一种高速来流条件下激光辐照效应的多场耦合分析方法，提出了考虑局部烧蚀效应的多场耦合数值分析策略，通过相应的分析步骤可以获得高速来流条件下激光对飞行目标辐照效应的全耦合数值计算结果，但是这种方法更多针对于多场耦合分析以及提出一种仿真架构，无法针对复合材料存在的多种材料特性进行激光辐照仿真计算。
通过对国内外相关专利文献的调研后发现，激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真计算方法存在以下难题尚未解决：
(1)高能激光在实际辐照过程中，一般不是垂直入射目标表面，而是与目标表面存在一定夹角，但目前的仿真计算方法几乎没有考虑这种带入射倾角对激光辐照效能的影响，这势必会影响仿真结果的准确度。
(2)高能激光在仿真计算中一般通过表面热流密度的形式加载至目标表面，如何根据激光的入射方向在复杂表面正确施加热流密度载荷，避免在未受辐照的区域施加错误的热流密度，是目前存在的一个难点问题。
(3)复合材料由多层材料构成，当上一层的材料，尤其是纤维材料被烧蚀后，高能激光才会通过被烧蚀的区域进入到下一层表面，而且由于上一层烧蚀区域的形貌一般是不规则的，如何获得当前层不规则的烧蚀形貌，然后将激光载荷透过该不规则层施加，实现高精度仿真计算是目前尚未解决的难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真计算方法，通过对复合材料的多层建模，考虑目标表面与入射光束的倾角效应、热流密度载荷的正确施加以及多层材料的透过效应，实现复合材料的高效率高精度仿真分析。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，包括：
S100：根据树脂基纤维增强复合材料中单层纤维的截面尺寸，将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构，进行CAD建模、网格划分与单元生成，赋予单元各自相对应的材料属性；
S200：在t＝0时刻，根据激光入射的方向遍历所有单元，获得单元外表面的法向量，根据单元外表面的法向量与激光入射方向夹角关系，确定目标受辐照的表面，以二维矩阵数组的形式对该表面施加热流密度，并基于通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法进行倾斜角处理，同时施加对流、辐射等边界条件和初始温度T0；
S300：设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程，进而获得当前t时刻下复合材料所有单元和节点的温度；
S400：获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断，根据目标所处的气流环境，采用其分解温度或气化温度作为复合材料的单元去除判据，从而实现复合材料的激光烧蚀效果，当超过去除温度的单元被去除后，其表面施加的热流密度将会被去除，避免造成错误的热源施加，暴露出来的单元外表面根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系，重新施加热源；
S500：若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面，并通过步进式扫描方式确定当前纤维层的不规则的烧蚀孔形貌，将热源透过该不规则层的投影加载于下一层；
S600：重复以上步骤S300至步骤S500直至达到设定的激光辐照时间，完成激光辐照复合材料的仿真计算。
进一步地，步骤S200中，
受辐照的目标存在内表面和外表面，高能激光辐照时，直接作用至外表面；
选取处于外部的所有单元面及面上节点坐标数据，通过单元外表面上节点坐标计算，获取外表面的法向量，并预先存储进单元外表面方向量数据库以便加载热源载荷过程中进行实时判断；
在进行热源载荷加载时，若单元外表面中某个面的法向量与激光的入射方向夹角在-90°～90°之间，进行后续的表面热源施加过程，否则不施加表面热源，通过这种方式实现任意复杂表面的热源载荷正确施加。
进一步地，步骤S200中，
激光到靶功率密度采用经理论计算得到或者经过试验测量获得的垂直到靶能量分布数据为Q1＝Q1(x,y)，在XY平面内以二维[N,N]矩阵数组形式呈现；
数组X方向的尺寸为a，数组Y方向的尺寸为b，单位为米，其中，矩阵第0列表示垂直到靶情况下该点距离光斑中心的X方向坐标x，矩阵第0行代表垂直入射情况下该点距离光斑中心的Y方向坐标y。
进一步地，步骤S200中，
当激光沿Z方向垂直入射目标切平面时，到靶能量分布数组沿X、Y方向与目标切平面的夹角分别为α、β，获得到[N,N]矩阵投影到目标切平面的X、Y方向尺寸分别为a/cosα、b/cosβ，相对应矩阵中每个点的坐标分别变为x/cosα、y/cosβ。
进一步地，步骤S200中，
通过建立三维空间坐标系以及海伦公式，获得[N,N]矩阵投影到目标切平面后的投影面积S变为：
其中：
进一步地，步骤S200中，
若无法直接获得α、β的具体值，则可根据激光入射方向与目标切平面的夹角γ计算α、β的具体值，三者之间的关系表达式为：
进一步地，步骤S200中，
根据单位时间内通量相等的原则，实际激光倾斜作用至目标表面的能量分布为：
Q2＝Q1(x/cosα,y/cosβ)·S/ab。
其中，Q2为倾斜入射时的表面功率密度分布函数；Q1为垂直入射时的表面功率密度分布函数。
进一步地，步骤S300中，
笛卡尔坐标系下复合材料的瞬态热传导方程为：
式中，ρ为单元对应材料的密度，C为单元对应材料的比热容，T为点(x,y,z)处的温度，kx、ky和kz为单元对应材料沿X、Y和Z方向的导热系数；
笛卡尔坐标系下复合材料表面与周围环境的对流换热和辐射造成的热量损伤可由下述公式计算：
式中，hcomb为等效复合换热系数，hconv为环境气体对流换热系数，Tsurf为材料表面温度(℃)，ε为材料发射率，σSB为斯特藩-波尔兹曼常数。
进一步地，步骤S400中，
当单元材料属性为纤维时，静态条件下若该单元的平均温度超过纤维的气化温度，则进行单元去除操作；
当单元材料属性为树脂时，静态条件下若该单元的平均超过树脂的分解温度时，则进行单元去除操作。
进一步地，步骤S500包括：
S501：获取当前层去除单元的坐标信息，获得其在X方向的最小坐标xmin0和最大坐标xmax0、Y方向的最小坐标ymin0和最大坐标ymax0；
S502：选择下一纤维层中单元中心坐标在(-∞，xmin0)、(-∞，ymin0)、(xmax0，+∞)和(ymax0，+∞)区间范围内的单元，并删除这些单元上施加的热源。
进一步地，步骤S500包括：
S503：选择当前纤维层单元中心在(xmin0，xmax0)且在(ymin0，ymax0)区间范围内的单元，将单元Y方向坐标最大值和最小值之差的绝对值均匀取M份，则相邻两份之间的距离
S504：从ymin0开始，循环M次，每一次的步进值为m，在每次循环中间，选择当前纤维层单元中心在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)区间范围内的单元，获得这些单元在X方向的最小坐标xmini和最大坐标xmaxi；i取值范围为1-M；
S505：选择下一纤维层单元中心坐标在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)、(-∞，xmin1)和(xmax1，+∞)区间范围内的单元，删除这些下一纤维层单元外表面施加的热源；
S506：重复以上步骤，直至实现依据当前层穿孔形貌获得下一纤维层热源载荷的正确施加。
按照本发明的第二方面，提供一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真系统，包括：
建模模块，用于根据树脂基纤维增强复合材料中单层纤维的截面尺寸，将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构，进行CAD建模、网格划分与单元生成，赋予单元各自相对应的材料属性；
边界条件加载模块，用于在t＝0时刻，根据激光入射的方向遍历所有单元，获得单元外表面的法向量，根据单元外表面的法向量与激光入射方向夹角关系，确定目标受辐照的表面，以二维矩阵数组的形式对该表面施加热流密度，并基于通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法进行倾斜角处理，同时施加对流、辐射等边界条件和初始温度T0；
求解模块，用于设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程，进而获得当前t时刻下复合材料所有单元和节点的温度；
热源加载模块，用于获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断，根据目标所处的气流环境，采用其分解温度或气化温度作为复合材料的单元去除判据，从而实现复合材料的激光烧蚀效果，当超过去除温度的单元被去除后，其表面施加的热流密度将会被去除，避免造成错误的热源施加，而暴露出来的单元外表面根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系，重新施加热源；
判断模块，用于若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面，并通过步进式扫描方式确定当前纤维层的不规则的烧蚀孔形貌，将热源透过该不规则层的投影加载于下一层；
计算模块，用于重复以上步骤直至达到设定的激光辐照时间，完成激光辐照复合材料的仿真计算。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的方法根据单位时间内通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法，实现了入射激光与受辐照目标呈一定倾角情况下的热源载荷计算，提高了仿真模型计算精度；
2.本发明的方法根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系，采用预存储与实时判别方法，方便快捷地实现了激光辐照区域的热源等效加载，可以提高计算效率和计算精度；
3.本发明的方法采用步进式方法实现了复合材料多层烧蚀时当前纤维层任意烧蚀形貌的选择，并用于下一纤维层的表面热源加载，可以获得更加符合实际情况的仿真计算，这一方法也同样适用于多层材料的激光辐照效能分析。
附图说明
附图1为本发明实施例的仿真计算流程示意图；
附图2为本发明实施例的CAD模型和网格划分示意图；
附图3为本发明实施例的单元外表面法向量和入射方向夹角示意图；
附图4为本发明实施例的激光任意角度辐照目标表面的投影区域计算方法示意图；
附图5为本发明实施例的步进式扫描方式和删除多余热源方法示意图；
附图6为本发明实施例计算的碳纤维环氧树脂复合材料烧蚀温度场分布结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
为实现上述目的，本发明提供一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真计算方法，如图1所示，主要步骤包括：
步骤1：根据树脂基纤维增强复合材料中单层纤维的截面尺寸，将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构，然后进行CAD建模、网格划分与单元生成，赋予单元各自相对应的材料属性，便于后续烧蚀仿真计算，如图2所示。
在本步骤中，纤维束是复合材料的增强相，一般会经过特殊的编织缠绕形成一个薄层，因此在建立层合板结构的CAD模型时，将一个纤维薄层的厚度作为纤维层的厚度。虽然纤维束存在各向异性，主要体现在各向导热系数上，但经过一层的编织后，其等效层可以视作是各向同性的均匀介质，这简化了求解计算的复杂程度。对于纤维层和树脂层，分别根据其自身的材料属性，设置相对应的热物性参数，纤维层可以是碳纤维、玻璃纤维等，树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂等。网格划分时，层间的网格划分尺寸要精细，以充分表征纤维和树脂的烧蚀过程，可以为各自单层厚度的0.1-1倍，而层内的划分尺寸则可以根据计算精度要求适当设置，如图2所示在层内XY平面内将模型各边尺寸100等分(划分尺寸为1mm)，而Z方向层内1等分(划分尺寸为0.05mm)。
步骤2：在t＝0时刻，根据激光入射的方向，遍历所有单元，获得单元外表面的法向量，根据单元外表面的法向量与激光入射方向夹角关系，确定目标受辐照的表面，然后以二维矩阵数组的形式对该表面施加热流密度并根据单位时间内通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法，进行倾斜角处理，同时施加对流、辐射等边界条件和初始温度T0；
在本步骤中，为了确保仿真计算时，热源加载的位置和区域正确，首先选取处于外部的所有单元面及面上节点坐标数据，通过单元外表面上节点坐标计算，获取外表面的法向量，并预先存储进单元外表面方向量数据库以便加载热源载荷过程中进行实时判断。在进行热源载荷加载时，若单元外表面中某个面的法向量与激光的入射方向夹角在-90°～90°之间，才进行后续的表面热源施加过程，否则不施加表面热源，通过这种方式可以实现复杂表面热源载荷的正确施加。以图3所示为例进行说明，当划分单元为六面体单元、激光入射至单元外表面ABCD，此时激光入射方向与该面上的单元外表面法向量的夹角为0°，由于-90°<0°<90°，则该面上可以施加热源；而对于面BCEF，激光入射方向与该面上单元外表面法向量的夹角为90°，由于90°≥90°，激光不会辐照到该表面，则该面上不会施加热源。对于六面体单位余下的四个面的施加方式与外表面ABCD和面BCEF保持一致，只有在法向量与激光的入射方向夹角在-90°～90°之间，才会进行表面热源施加。
进一步地，本步骤中，激光到靶功率密度采用经理论计算得到或者经过试验测量获得的垂直到靶能量分布数据为Q1＝Q1(x,y)，在XY平面内以二维[256,256]矩阵数组形式呈现(数组X方向的尺寸为0.05m，数组Y方向的尺寸为0.05m，单位为米)，其中矩阵第0列表示垂直到靶情况下该点距离光斑中心的X方向坐标x，矩阵第0行代表垂直入射情况下该点距离光斑中心的Y方向坐标y。
进一步地，本步骤中，如图4所示，当激光沿Z方向垂直入射目标切平面时，到靶能量分布数组沿X、Y方向与目标切平面的夹角分别为25°、0°，可以获得到[256,256]矩阵投影到目标切平面的X、Y方向尺寸分别为0.055、0.05，通过二维投影坐标转换方法后的热源载荷矩阵中每个点的坐标分别变为1.1x、y。
进一步地，本步骤中，通过建立三维空间坐标系以及海伦公式运算，可以获得[256,256]矩阵投影到目标切平面后的投影面积S变为：
S＝0.00275
进一步地，本步骤中，根据单位时间内通量相等的原则，实际激光倾斜作用至目标表面的能量分布为：
Q2＝0.7Q1(1.1x,y)
其中，Q2为倾斜入射时的表面功率密度分布函数；Q1为垂直入射时的表面功率密度分布函数。
步骤3：设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程，进而获得当前t时刻下复合材料所有单元和节点的温度。
进一步地，本步骤中，笛卡尔坐标系下复合材料的瞬态热传导方程为：
进一步地，本步骤中，笛卡尔坐标系下复合材料表面与周围环境的对流换热和辐射造成的热量损失可由下述公式计算：
步骤4：根据步骤3获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断，根据目标所处的气流环境，采用其分解温度或气化温度作为复合材料的单元去除判据，从而实现复合材料的激光烧蚀效果。当超过去除温度的单元被去除后，其表面施加的热流密度将会被去除，为避免造成错误的热源施加，暴露出来的单元外表面会根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系进行实时判别，重新施加热源。
进一步地，本步骤中，当单元材料属性为纤维时，静态条件下若该单元的平均温度超过纤维的气化温度，则进行单元去除操作，而气流情况下，由于材料受到气流剥蚀作用，其去除温度低于纤维的气化温度，这时的单元去除判据，则根据热成像仪、热电偶等试验测试结果进行确定。以碳纤维为例，碳纤维的升华温度高达3500℃，因此其在静态条件下的单元去除温度阈值设置为3500℃，而如果在气流情况下，高速气流本身存在气流冲刷剥离作用，单元去除温度要低于3500℃，因此具体的去除温度阈值可以根据试验结果确定，如开展不同气流速度下材料剥蚀情况试验，并通过热成像仪、热电偶等仪器测得此时的温度，建立去除温度与气流速度的关系式，在进行仿真计算时采用。
进一步地，本步骤中，当单元材料属性为树脂时，静态条件下若该单元的平均超过树脂的分解温度时，则进行单元去除操作，而气流情况下，由于材料受到气流剥蚀作用，其去除温度低于纤维的气化温度，这时的单元去除判据，则根据热成像仪、热电偶等试验测试结果进行确定。以环氧树脂为例，其在300℃左右开始产生分解，在500℃左右彻底完成分解，因此环氧树脂静态条件下的单元去除温度阈值可以设置为500℃，气流情况可以结合试验结果确定。
步骤5：根据步骤4的结果，若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面，并通过步进式扫描方式确定当前纤维层的不规则的烧蚀孔形貌，将热源透过该不规则层的投影加载于下一层。
进一步地，本步骤中，实际条件下激光在大气传输过程中受到湍流、气溶胶、水汽等因素的影响，入射至目标表面时往往表现为不规则的形状，这导致烧蚀出的纤维层的形貌也是不规则的，如图5(a)所示。
进一步地，本步骤中，当前层的纤维被烧蚀并形成穿孔后，入射激光将穿透不规则孔洞进入到下一层。由于树脂与纤维被烧蚀温度差别大，即使当前层的纤维尚未被烧蚀穿孔，与之相邻的树脂基体也会造成明显的分解，这就导致激光穿过当前纤维层后将会直接作用至最近的下一纤维层。为避免下一纤维层表面被错误施加热源载荷，本发明采用步进式扫描方式来实现热源的准确加载。
进一步地，本步骤中，在下一纤维层的受辐照表面施加热源载荷。
进一步地，本步骤中，首先获取当前层去除单元的坐标信息，获得其在X方向的最小坐标xmin0和最大坐标xmax0、Y方向的最小坐标ymin0和最大坐标ymax0，然后选择下一纤维层中单元中心坐标在(-∞，xmin0)、(-∞，ymin0)、(xmax0，+∞)和(ymax0，+∞)区间范围内的单元，并删除这些单元上施加的热源，如图5(b)-(c)所示。
进一步地，本步骤中，选择当前纤维层单元中心在(xmin0，xmax0)且在(ymin0，ymax0)区间范围内的单元，将单元Y方向坐标最大值和最小值之差的绝对值均匀取M份，则相邻两份之间的距离
如图5(d)所示。
进一步地，本步骤中，从ymin0开始，循环M次，每一次的步进值为m，在每次循环中间，选择当前纤维层单元中心在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)区间范围内的单元(i取值范围为1-M)，然后获得这些单元在X方向的最小坐标xmini和最大坐标xmaxi；进一步地，选择下一纤维层单元中心坐标在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)、(-∞，xmin1)和(xmax1，+∞)区间范围内的单元，然后删除这些下一纤维层单元外表面施加的热源，如图5(e)所示；重复以上步骤，直至实现依据当前层穿孔形貌获得下一纤维层热源载荷的正确施加，如图5(f)所示。通过以上逐行或逐列步进式扫描方式，实现了不规则形貌激光透过条件下的下一纤维层材料表面热源加载。
步骤六：重复以上步骤3至步骤5，直至达到设定的激光辐照时间，完成激光辐照复合材料的仿真计算。
如图6(a)所示为本发明实施例中的碳纤维环氧树脂高能激光热烧蚀温度场分布仿真计算结果。仿真计算过程中，碳纤维环氧树脂复合材料的外形尺寸为100mm×100mm×0.35mm，每层碳纤维和树脂层的厚度均为0.05mm，采用经过真实大气传输后的到靶能量分布二维数组数据作为热源输入，到靶能量分布数组沿X、Y方向与目标切平面的夹角分别为25°、0°，周围环境温度为室温，初始温度为25℃，处于静态气流条件下，用碳纤维和环氧树脂的气化温度(3500℃)和彻底分解温度(500℃)作为单元去除的判据。
从图6(b)和(c)中可以看出，倾斜入射的激光辐照复合材料的温度场分布和烧蚀结果呈现出典型的不规则形貌，即沿着烧蚀尺寸沿着X方向的尺寸要比沿Y方向更大，并且碳纤维层和树脂层的烧蚀情况存在较大差异，即树脂由于低分解温度而产生更大范围的烧蚀，而纤维由于烧蚀温度低而产生较小范围的烧蚀。通过理论推导以及试验观察，不难发现这些仿真结果更符合实际情况。因此通过发明方法，可以实现树脂基纤维增强复合材料的高精度仿真，对于快速准确评价高能激光装置对树脂基纤维增强复合材料的辐照效能具有十分重要的价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，包括：
S100：根据树脂基纤维增强复合材料中单层纤维的截面尺寸，将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构，进行CAD建模、网格划分与单元生成，赋予单元各自相对应的材料属性；
S200：在t＝0时刻，根据激光入射的方向遍历所有单元，获得单元外表面的法向量，根据单元外表面的法向量与激光入射方向夹角关系，确定目标受辐照的表面，以二维矩阵数组的形式对该表面施加热流密度，并基于通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法进行倾斜角处理，同时施加对流、辐射等边界条件和初始温度T0；
S300：设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程，进而获得当前t时刻下复合材料所有单元和节点的温度；
S400：获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断，根据目标所处的气流环境，采用其分解温度或气化温度作为复合材料的单元去除判据，从而实现复合材料的激光烧蚀效果，当超过去除温度的单元被去除后，其表面施加的热流密度将会被去除，避免造成错误的热源施加，暴露出来的单元外表面根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系，重新施加热源；
S500：若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面，并通过步进式扫描方式确定当前纤维层的不规则的烧蚀孔形貌，将热源透过该不规则层的投影加载于下一层；
S600：重复以上步骤S300至步骤S500直至达到设定的激光辐照时间，完成激光辐照复合材料的仿真计算。
2.根据权利要求1所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
受辐照的目标存在内表面和外表面，高能激光辐照时，直接作用至外表面；
选取处于外部的所有单元面及面上节点坐标数据，通过单元外表面上节点坐标计算，获取外表面的法向量，并预先存储进单元外表面方向量数据库以便加载热源载荷过程中进行实时判断；
在进行热源载荷加载时，若单元外表面中某个面的法向量与激光的入射方向夹角在-90°～90°之间，进行后续的表面热源施加过程，否则不施加表面热源，通过这种方式实现任意复杂表面的热源载荷正确施加。
3.根据权利要求2所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
激光到靶功率密度采用经理论计算得到或者经过试验测量获得的垂直到靶能量分布数据为Q1＝Q1(x,y)，在XY平面内以二维[N,N]矩阵数组形式呈现；
数组X方向的尺寸为a，数组Y方向的尺寸为b，单位为米，其中，矩阵第0列表示垂直到靶情况下该点距离光斑中心的X方向坐标x，矩阵第0行代表垂直入射情况下该点距离光斑中心的Y方向坐标y。
4.根据权利要求3所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
当激光沿Z方向垂直入射目标切平面时，到靶能量分布数组沿X、Y方向与目标切平面的夹角分别为α、β，获得到[N,N]矩阵投影到目标切平面的X、Y方向尺寸分别为a/cosα、b/cosβ，相对应矩阵中每个点的坐标分别变为x/cosα、y/cosβ。
5.根据权利要求4所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
通过建立三维空间坐标系以及海伦公式，获得[N,N]矩阵投影到目标切平面后的投影面积S变为：
其中：
6.根据权利要求5所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
若无法直接获得α、β的具体值，则可根据激光入射方向与目标切平面的夹角γ计算α、β的具体值，三者之间的关系表达式为：
7.根据权利要求6所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S200中，
根据单位时间内通量相等的原则，实际激光倾斜作用至目标表面的能量分布为：
Q2＝Q1(x/cosα,y/cosβ)·S/ab。
其中，Q2为倾斜入射时的表面功率密度分布函数；Q1为垂直入射时的表面功率密度分布函数。
8.根据权利要求7所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S300中，
笛卡尔坐标系下复合材料的瞬态热传导方程为：
式中，ρ为单元对应材料的密度，C为单元对应材料的比热容，T为点(x,y,z)处的温度，kx、ky和kz为单元对应材料沿X、Y和Z方向的导热系数；
笛卡尔坐标系下复合材料表面与周围环境的对流换热和辐射造成的热量损伤可由下述公式计算：
式中，hcomb为等效复合换热系数，hconv为环境气体对流换热系数，Tsurf为材料表面温度(℃)，ε为材料发射率，σSB为斯特藩-波尔兹曼常数。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S400中，
当单元材料属性为纤维时，静态条件下若该单元的平均温度超过纤维的气化温度，则进行单元去除操作；
当单元材料属性为树脂时，静态条件下若该单元的平均超过树脂的分解温度时，则进行单元去除操作。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S500包括：
S501：获取当前层去除单元的坐标信息，获得其在X方向的最小坐标xmin0和最大坐标xmax0、Y方向的最小坐标ymin0和最大坐标ymax0；
S502：选择下一纤维层中单元中心坐标在(-∞，xmin0)、(-∞，ymin0)、(xmax0，+∞)和(ymax0，+∞)区间范围内的单元，并删除这些单元上施加的热源。
11.根据权利要求10所述的一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真方法，其特征在于，步骤S500包括：
S503：选择当前纤维层单元中心在(xmin0，xmax0)且在(ymin0，ymax0)区间范围内的单元，将单元Y方向坐标最大值和最小值之差的绝对值均匀取M份，则相邻两份之间的距离
S504：从ymin0开始，循环M次，每一次的步进值为m，在每次循环中间，选择当前纤维层单元中心在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)区间范围内的单元，获得这些单元在X方向的最小坐标xmini和最大坐标xmaxi；i取值范围为1-M；
S505：选择下一纤维层单元中心坐标在(ymin0+(i-1)×m，ymin0+(i-0)×m)、(-∞，xmin1)和(xmax1，+∞)区间范围内的单元，删除这些下一纤维层单元外表面施加的热源；
S506：重复以上步骤，直至实现依据当前层穿孔形貌获得下一纤维层热源载荷的正确施加。
12.一种高能激光辐照树脂基纤维增强复合材料的仿真系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于根据树脂基纤维增强复合材料中单层纤维的截面尺寸，将复合材料分成若干个纤维层和若干个树脂基体层，形成“纤维层+树脂层”交替的层合板结构，进行CAD建模、网格划分与单元生成，赋予单元各自相对应的材料属性；
边界条件加载模块，用于在t＝0时刻，根据激光入射的方向遍历所有单元，获得单元外表面的法向量，根据单元外表面的法向量与激光入射方向夹角关系，确定目标受辐照的表面，以二维矩阵数组的形式对该表面施加热流密度，并基于通量相等原则，通过二维投影坐标转换方法进行倾斜角处理，同时施加对流、辐射等边界条件和初始温度T0；
求解模块，用于设置求解的时间步长为Δt，令t＝t+Δt，联立求解纤维和树脂基体单元的瞬态热传导方程、目标表面与外界的对流辐射换热方程，进而获得当前t时刻下复合材料所有单元和节点的温度；
热源加载模块，用于获得的所有单元的温度进行材料的烧蚀判断，根据目标所处的气流环境，采用其分解温度或气化温度作为复合材料的单元去除判据，从而实现复合材料的激光烧蚀效果，当超过去除温度的单元被去除后，其表面施加的热流密度将会被去除，避免造成错误的热源施加，而暴露出来的单元外表面根据单元外表面法向量与激光入射方向的夹角关系，重新施加热源；
判断模块，用于若当前纤维层被烧蚀并形成了穿孔，则将前述矩阵数组形式的热源施加到下一层材料的表面，并通过步进式扫描方式确定当前纤维层的不规则的烧蚀孔形貌，将热源透过该不规则层的投影加载于下一层；
计算模块，用于重复以上步骤直至达到设定的激光辐照时间，完成激光辐照复合材料的仿真计算。
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| GR01 | Patent grant | ||
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