本文選題：超短脈沖激光 + 金屬��； 參考：《浙江大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：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,求解時常用的是基于網(wǎng)格的數(shù)值計算方法,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)部不僅存在電子和晶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出現(xiàn)網(wǎng)格畸變的問題。而物質(zhì)點(diǎn)法(MPM)作為一種無網(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,將電子和晶格離散為物質(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)法計算得到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計算的時間步長、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能自動滿足邊界絕熱條件,無需對邊界做額外處理。所以,對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,針對多維模型中存在的計算量大、模擬時間長的問題,提出了基于OpenMP的MPM并行算法等優(yōu)化方法,研究節(jié)點(diǎn)更新的數(shù)據(jù)競爭問題的解決方案,并探討與串行程序相比不同網(wǎng)格規(guī)模的提速效果。研究結(jié)果表明,降低計算精度和調(diào)整迭代機(jī)制能夠?qū)υ璏PM程序有加速效果,但會產(chǎn)生累積誤差導(dǎo)致只能應(yīng)用于對模擬結(jié)果的精度要求不高的場合。而采用OpenMP實(shí)現(xiàn)CPU多核并行計算,能夠有效地提高計算效率且不影響計算結(jié)果,且對于越大規(guī)模的網(wǎng)格模型并行效率會稍高。為避免節(jié)點(diǎn)更新階段出現(xiàn)的數(shù)據(jù)競爭問題,本文采用優(yōu)化節(jié)點(diǎn)整合的背景網(wǎng)格區(qū)域分解法實(shí)現(xiàn)并行計算。
[Abstract]:The process of interaction between ultrashort pulse laser and metal is usually described by a two-temperature model, and the mesh-based numerical methods, such as finite difference method and finite element method, are commonly used to solve the problem. However, under ultrashort pulse laser irradiation, there is not only an unbalanced thermal state between electrons and lattices in the metal, but also a large deformation or even fracture of the target. Therefore, grid-based method is used to solve the problem of mesh distortion in the two-temperature model. As a meshless method, the material point method (MPM) combines the advantages of Lagrangian and Euler methods and has been proved to be suitable for simulating such problems involving large deformation. Recently, the material point method has been used to study the Fourier heat conduction process. The main work of this paper is to develop and verify the material point method for simulating the thermal response of metal under ultrashort pulse laser. Starting from the two-temperature model, the weak form of the energy equation of electron and lattice is established, and the discrete form of the governing equation is constructed by discrete the electron and lattice into the material point, and then the form function is introduced, which is similar to the traditional MPM. The material point information is mapped to the background grid to solve the equation, and then the mesh node physical quantity is mapped back to the particle renewal temperature. The thermal response of gold films irradiated by ultrashort pulse laser is simulated by the MPM algorithm and the difference method, respectively. The results show that the difference of electron and lattice temperature between the material point method and the finite difference method is small, which verifies the accuracy of the MPM algorithm. In addition, the convergence and stability of MPM are verified by changing the time step size, mesh spacing, the number and distribution of material points in the background meshes, and MPM can satisfy the boundary adiabatic condition automatically without the need for extra boundary treatment. Therefore, the MPM algorithm for large thermal deformation of targets in the interaction of ultrashort pulse laser with metal is superior to the grid method. Finally, aiming at the problems of large computation and long simulation time in the multidimensional model, an optimization method, such as MPM parallel algorithm based on OpenMP, is proposed to solve the data competition problem of node update. Compared with the serial program, the speedup effect of different grid scale is discussed. The results show that reducing the calculation accuracy and adjusting the iterative mechanism can accelerate the original MPM program, but the cumulative error can only be applied to the situation where the accuracy of the simulation results is not high. Using OpenMP to implement CPU multi-core parallel computing can effectively improve the computing efficiency without affecting the calculation results, and the parallel efficiency will be slightly higher for the larger grid model. In order to avoid the problem of data competition in the node update phase, the background grid domain decomposition method of optimizing node integration is used to realize parallel computing in this paper.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG665

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 ;中科院物理所在全固態(tài)超短脈沖激光研究方面取得系列新進(jìn)展[J];中國材料進(jìn)展;2010年05期

相關(guān)會議論文 前10條

1 程光華;劉青;陳國夫;趙衛(wèi);王屹山;李明;;超短脈沖激光三維光數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究[A];2006年全國強(qiáng)場激光物理會議論文集[C];2006年

2 楊建軍;趙友博;劉偉偉;朱曉農(nóng);;超短脈沖激光對金屬材料微細(xì)加工的物理機(jī)制的理論研究[A];中國光學(xué)學(xué)會2006年學(xué)術(shù)大會論文摘要集[C];2006年

3 劉蘭琴;彭翰生;朱啟華;王逍;魏曉峰;;高功率超短脈沖激光的遠(yuǎn)場描述方法研究[A];四川省電子學(xué)會高能電子學(xué)專業(yè)委員會第四屆學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2005年

4 王屹山;王擂然;劉雪明;趙衛(wèi);;大能量耗散孤子全光纖超短脈沖激光理論與技術(shù)研究[A];第十屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2012年

5 李曉溪;賈天卿;馮東海;孫海軼;徐世珍;李成斌;徐至展;;超短脈沖激光與氟化鋰晶體的相互作用研究[A];2004年全國強(qiáng)場激光物理會議論文集（二）[C];2004年

6 陶業(yè)爭;李業(yè)軍;單玉生;王乃彥;;紫外高強(qiáng)度超短脈沖激光與等離子體相互作用中超熱電子的產(chǎn)生[A];第六屆全國激光科學(xué)技術(shù)青年學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2001年

7 黃小軍;魏曉峰;彭翰生;王曉東;袁曉東;周凱南;郭儀;曾小明;林東暉;劉蘭琴;張小民;;20TW超短脈沖激光裝置的研制[A];中國工程物理研究院科技年報（2003）[C];2003年

8 王兆華;魏志義;滕浩;王鵬;張杰;;超短脈沖激光特性的FROG診斷研究[A];Strong Field Laser Physics--Proceedings of CCAST(World Laboratory) Workshop[C];2002年

9 黃小軍;魏曉峰;彭翰生;王曉東;袁曉東;周凱南;郭儀;曾小明;林東暉;劉蘭琴;張小民;;20TW超短脈沖激光裝置的研制[A];第七屆全國激光科學(xué)技術(shù)青年學(xué)術(shù)交流會專輯[C];2003年

10 趙衛(wèi);劉紅軍;;瞬態(tài)光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究工作進(jìn)展[A];2004年全國強(qiáng)場激光物理會議論文集（一）[C];2004年

相關(guān)重要報紙文章 前1條

1 ;超短脈沖激光投入廣泛應(yīng)用[N];科技日報;2002年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 黎遙;超短脈沖激光精密時—頻域控制[D];華東師范大學(xué);2010年

2 王曉東;短脈沖及超短脈沖激光對金屬的燒蝕及微加工研究[D];華中科技大學(xué);2009年

3 陳黎明;超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用中電子行為的研究[D];中國工程物理研究院北京研究生部;2000年

4 袁孝;超短超強(qiáng)激光脈沖在低密度等離子體和空氣中的傳輸[D];四川大學(xué);2002年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張東潔;基于超短脈沖激光的納米粒子捕獲[D];電子科技大學(xué);2015年

2 林家堅;超短脈沖激光照射下銅納米薄膜固—液相變數(shù)值模擬研究[D];浙江大學(xué);2016年

3 雷春霞;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[D];浙江大學(xué);2017年

4 尚紅波;超短脈沖激光時空特性的仿真研究[D];浙江大學(xué);2011年

5 劉振鈺;超短脈沖激光與透明電介質(zhì)相互作用的研究[D];長春理工大學(xué);2011年

6 梁師國;超短脈沖激光信噪比提升與控制技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2012年

7 夏蘭;高功率超短脈沖激光系統(tǒng)中光束傳輸技術(shù)研究[D];中國工程物理研究院北京研究生部;2002年

8 嚴(yán)琪琪;超短脈沖激光與固體靶相互作用的硬X射線能譜研究[D];華中科技大學(xué);2006年

9 徐金龍;一種獲得大功率超短脈沖激光方法的理論研究[D];貴州大學(xué);2007年

10 巴松月;HD~+在超短脈沖激光場中超閾值解離動力學(xué)[D];大連理工大學(xué);2008年

，

本文編號：2039276