Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время лазерное излуче-ние(ЛИ), обеспечивающее быструю и точную обработку материалов, широко используется в различных технологических процессах. Одним из возможных применений является лазерное разрушение таких поликристаллических материалов, как природные минералы(ПМ). Материалы различных исследований показывают, что такие механизмы разрушения ПМ, как плавление и испарение под действием ЛИ умеренной интенсивности, недостаточно эффективны. В связи с чем представляется необходимым более глубокое изучение других, возможных механизмов разрушения, например, термораскалывания. Низкие коэффициенты теплопроводности приводят к возникновению больших градиентов температур в массиве таких материалов при воздействии потоков энергии на их поверхность. Индуцированные температурные напряжения относятся к классу внутренних напряжений, вызываемых собственной деформацией, определяемой наложением упругой деформации и чисто теплового расширения, вызванного действием на упругое тело температурного поля.
В диссертации теоретически и экспериментально изучены температурные поля и температурные напряжения возникающие в мраморе под действием ИК ЛИ. Разработаны некоторые способы лазерного разрушения природных минералов. Получено согласие числено рассчитанных и экспериментальных результатов. Актуальность таких исследований связана с использованием и совершенствованием лазерной технологии в применении к конкретным технологическим операциям. Знание закономерностей формирования термонапряженного состояния тел, возникающего при действии мощных потоков энергии, позволяет судить о происходящих физических процессах и тем самым совершенствовать технологию обработки ПМ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Теоретически и экспериментально исследовать температурные поля и термоупругие напряжения, возникающие в непрозрачных твердых материалах при воздействии стационарного лазерного излучения, для чего были поставлены следующие задачи:
-
Разработать математические модели для определения температурных напряжений в приближении несвязанной теории термоупругости, когда источник энергии неподвижен или медленно сканируется по поверхности исследуемого материала.
-
Создать экспериментальные установки и провести измерения температурных полей и напряжений, возникающих в природных минералах при действии лазерного излучения.
-
Сопоставлением экспериментальных и расчетных данных для температурных полей и термонапряжений оценить температуру на поверхности испарения.
-
На основе разработанной модели провести численный расчет полей термонапряжений при обработке ПМ медленно сканирующим лазерным излучением для различных способов обработки.
1. Построена математическая модель температурных напряжений, возникающих в непрозрачных материалах при наличии на их поверхности неподвижного лазерного излучения. Модель получена в одномерной обобщенной параболической координате, что позволяет пространственное рассмотрение задачи. Процесс испарения рассматривается как переход вещества из конденсированной фазы в газообразную. Предполагается однородность среды, независимость тепло-физических характеристик от температуры.
2. Построена математическая модель температурных напряже
ний, возникающих в непрозрачных телах при наличии на их поверх
ности подвижного пучка лазерного излучения. В этом случае модель
получена в координатах эллиптического цилиндра, что соответству
ет случаю медленного движения источника энергии.
-
Теоретически исследовано явление кумуляции температурных напряжений при воздействии мощного потока энергии для области зайятой параболоидом вращения, находящегося внутри твердого тела и являющегося включением или неоднородностью. Исследованная область является более общей, чем ранее изученные цилиндрическая и сферическая.
-
Экспериментально определены температурные поля в мраморе, возникающие под действием ЛИ. Проведен расчет температуры на поверхности испарения, которая, по крайней мере , в начале процесса облучения может быть больше температуры испарения материала.
-
Проведено численное исследование термоупругих напряжений для неподвижного и медленно движущегося источника энер-гии.Тензометрическим и пьезоэлектрическим способами экспериментально определены температурные напряжения, возникающие в мраморе под действием ЛИ.