超短脈沖激光作用下金屬熱響應(yīng)的物質(zhì)點(diǎn)法算法研究.pdf

1、超短脈沖激光與金屬相互作用的過程一般采用雙溫模型進(jìn)行描述，求解時(shí)常用的是基于網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算方法，比如有限差分法和有限元法。但是在超短脈沖激光輻照下，金屬內(nèi)部不僅存在電子和品格間的不平衡熱狀態(tài)，且可能導(dǎo)致目標(biāo)靶的大變形甚至斷裂。因此，采用基于網(wǎng)格的方法求解雙溫模型會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格畸變的問題。而物質(zhì)點(diǎn)法(MPM)作為一種無(wú)網(wǎng)格法，結(jié)合了拉格朗日和歐拉方法的優(yōu)點(diǎn)，已被證明適用于模擬這類涉及大變形的問題。最近，物質(zhì)點(diǎn)法已用于研究傅里葉熱傳導(dǎo)過程。本文

2、的主要工作是發(fā)展用于模擬超短脈沖激光作用下金屬熱響應(yīng)的物質(zhì)點(diǎn)法算法，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
　　首先從雙溫模型出發(fā)，建立電子和晶格能量方程的弱形式，將電子和品格離散為物質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)造出控制方程的離散形式;然后，仿照傳統(tǒng)MPM，引入形函數(shù)，將物質(zhì)點(diǎn)信息映射到背景網(wǎng)格進(jìn)行方程求解，再由網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)物理量映射回質(zhì)點(diǎn)更新溫度。分別采用提出的MPM算法和差分法，對(duì)一維和不規(guī)則二維模型條件下超短脈沖激光照射下金薄膜的熱響應(yīng)開展模擬，結(jié)果顯示物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算得到

3、的電子和晶格溫度與有限差分法的模擬結(jié)果差別都較小，驗(yàn)證了MPM算法的準(zhǔn)確性。此外，改變MPM計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格間距、背景網(wǎng)格單元中物質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目和分布情況，驗(yàn)證了MPM的收斂性和穩(wěn)定性，且MPM能自動(dòng)滿足邊界絕熱條件，無(wú)需對(duì)邊界做額外處理。所以，對(duì)于超短脈沖激光與金屬相互作用中靶材的熱力大變形，MPM算法較有網(wǎng)格方法具有優(yōu)越性。
　　最后，針對(duì)多維模型中存在的計(jì)算量大、模擬時(shí)間長(zhǎng)的問題，提出了基于OpenMP的MPM并行算法等優(yōu)化