激光激发板状材料中超声导波的有限元数值模拟

材料表面吸收激光辐照的能量后，产生瞬态温度场，引起表面层的局部热膨胀，产生超声波沿不同方向传播。激光超声具有非接触、宽频带、多模态的特点，提供了材料的弹性性质和材料无损检测的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的特性，用有限元方法数值模拟激光在板状材料中激发瞬态温度场，建立热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型。数值模拟的结果表明：材料中瞬态温度场分布在材料的表面层的非常小的区域，温升区域是产生超声的体源。分析近场和远场接收的超声导波的表面波形的传播特征，讨论激光输入参数和激光产生超声波特征之间的关系，为热弹条件下材料性能的激光超声检测提供了定量的基础。     

烧蚀机制下激光超声声场的模拟与实验验证

分析了烧蚀机制下超声波的产生机制,建立了工件有限元模型,将等离子体的冲击力对材料的作用视为超声波的激励源,模拟计算了激光超声波在工件中的传播过程,提取了节点位移的时间历程曲线,求出超声波的速度并由此确定相应超声波的类型。此外,分析了激光超声声场分布,利用半圆形铝质试块进行了激光超声的测量对比实验,采用超声换能器接收纵波、横波以及表面波。通过对比分析可知,数值分析结果与实验数据相符,该有限元数值模拟方法正确可靠。     

单层和双层材料中的脉冲激光超声数值模拟

用有限元方法数值模拟激光热弹机制激发单层和双层材料中的超声波。分别建立激光在单层和双层材料中激发瞬态温度场和热弹机制激发超声波场的有限元模型，该模型考虑了激光作用过程中材料的热物理参数依赖于温度的特性。在单层铝板的厚度小于激光激发的超声波的中心波长时，数值模拟得到了兰姆波，主要是低频的非色散的对称模和色散的反对称模。随着铝板厚度的增加，更高阶的模式可以在板中传播，波形向表面波转化，得到了掠面纵波和瑞利波。进一步计算了Ni／Al和Al／Cu这两种双层材料中的不同接收距离处的垂直表面位移。由于表面波中的高频成分透入深度浅，在传播过程中受薄膜(涂层)的影响较大，而低频成分在传播过程中受基底的影响较大，因此在Ni／Al系统中得到了正常色散而在Al／Cu系统中得到了反常色散现象。     

横观各向同性复合材料激光超声检测的数值模拟

为了分析横观各向同性复合材料的内部材料属性 ,结合激光超声理论,使用仿真软 件Comsol Multiphysics 建立了复合材料在激光热弹下激发出超声波的等效模型,通过设置 完美匹配层、低反射边界等方法消除了边界回波。采用有限元法模拟了横观各向同性材料中 激发超声波的物理过程,对缺陷回波信号进行了时域分析。结果表明:平板厚度的增加会使 超声波逐渐转变为高阶模态,且随着平板厚度的增加,模态的截止频率会逐渐降低,同时在横观 各向同性复合材料中传播的超声波将逐渐失去Lamb波的特征,转而表现出表面波特征,将 Lamb波向表面波转化激发出Rayleigh波。本次模拟为进一步研究复杂介质中超声波的产生 和缺陷定位奠定了基础。     

激光激发材料中近场声表面波的数值模拟

用有限元方法数值模拟了激光热弹机制下激发材料中的声表面波,分别建立了激光照射无表面缺陷的材料以及含有矩形凹槽缺陷情况下声表面波激发与传播的模型,通过数值计算分别得到了无表面缺陷和存在不同深度表面缺陷的情况下,位于激光光斑辐照半径内固定一点的垂直于材料表面方向的位移曲线.进而计算了固定缺陷尺寸情况下位于入射激光光斑半径之外几百微米范围内各点垂直于材料表面方向的位移.     

激光超声对橡胶材料表面损伤的仿真研究

使用有限元分析软件,探究激光激发超声在橡胶类材料中的激发机理和传播特性,以及橡胶类材料本身所具有的非线性应力应变关系可能对激光激发超声过程的影响。为了研究激光激发超声的物理变化过程,在有限元软件中构建二维模型,根据脉冲激光的各种特性将激光辐照的过程等效成力在材料表面的作用,进而得到模型理论的应力变化过程和超声波回波的波形情况。该研究为激光超声技术对不同材料的适用性提供了数据和理论基础,也为激光超声在橡胶类材料无损检测范畴提供了一个新的途径。     

激光声表面波检测材料表面微缺陷数值研究

采用平面应变的有限元模型数值模拟了激光线源辐照铝板表面激发出的声表面波的时域波形,比较了不同接收位置得到的位移信号的模式组成;同时研究了激光线源辐照区域近场存在表面微缺陷时产生的时域波形。数值结果说明：当激光源靠近表面微缺陷时激发出的声表面波模式中掠面纵波与瑞利波的位移信号均由典型的单极性迅速转变为显著的双极性特征,且瑞利波的峰-峰值将增加两倍左右,位移信号强度的显著变化为利用扫描激光检测材料表面微缺陷提供了理论依据。     

环状激光作用于薄管产生温度场的有限元模拟

为了提高激光在管道中激发超声波的效率,基于激光超声的热弹激发理论,建立了环状激光源作用于薄管中的有限元模型,采用有限元方法,数值模拟了环状激光脉冲作用于铝管内壁时产生的瞬态温度场,得到了铝管内部温度随时间变化的曲线和不同时刻温度沿径向、轴向的变化曲线,并进一步分析了铝管内温度梯度的形成及随时间、沿径向的变化规律。结果表明,激光产生的瞬态温度场建立极其迅速,整个过程仅持续几十纳秒,该过程产生的温度梯度非常大,因此环状激光源可在铝管中激发很强的超声波;同时,由于温度梯度分布在整个圆周上,因而形成的导波衰减慢,可在周向、轴向上实现大范围超声检测。该结果对热弹条件下激光在管道中激发超声导波的研究有一定参考作用。     

金刚石压砧加载下激光超声的有限元模拟

采用有限元方法(FEM)建立了金刚石压砧(DAC)加载下脉冲激光激发超声波的数值分析模型。数值模拟了高压下样品中的瞬态温度场和超声位移场,得到了激光垂直照射下入射点异侧不同位置处的超声波波形,分析了超声位移场随时间变化的特征。结果表明,在DAC加载下,热弹作用产生的超声波具有明显的指向性,其纵波能量主要集中于激光入射方向附近,而横波的能量集中于偏离激光入射点30°～55°的倾角之间。上述特征与自由面热弹作用结果差异很大,而与自由面烧蚀作用结果相似。     

等效载荷法模拟激光超声微裂纹检测

基于等效载荷法,应用有限元软件Abaqus模拟了脉冲激光激发的超声表面波在预加裂纹的半无限大弹性薄板内的传播,并探讨了微裂纹的尺寸对超声信号的影响。将脉冲激光激励等效为作用在薄板表面的在时间和空间上均满足高斯分布的脉冲载荷,并通过引入修正系数建立了激光的物理参数与峰值载荷的定量关系。在实验验证了有限元模型和等效载荷法正确性的基础上,探讨了裂纹的宽度、深度对反射波和透射波声学特性的影响。结果表明,所建立的等效载荷法能有效地模拟激光超声检测裂纹的实验过程,对激光超声的数值模拟研究以及在裂纹检测方面的应用具有重要的意义。     

各向异性板中激光激发Lamb波的数值模拟

基于谱有限元法和模态展开法,针对各向异性薄板,建立激光激发Lamb波的数值模型,得到各向异性薄板中Lamb波沿不同方向传播的色散曲线及Lamb波的传播特性。数值模拟结果表明,谱有限元法能快速有效地计算各向异性板中导波的相速度、群速度,结合模态展开法能够得到任何方向激光激发的Lamb波;Lamb波沿不同方向传播的速度及色散特性与材料的各向异性性质相关。数值模拟为更好地理解复杂介质中导波的传播、指导激励信号的选择及识别检测信号的模态提供了理论依据。     

圆柱型涂层/基底系统中的激光超声表面波

为了分析圆柱型涂层/基底系统中声表面波的特点及其传播特性,以热弹激发机理为基础建立了脉冲激光在圆柱型涂层/基底系统中激发超声表面波的有限元程序。在此基础上,计算了激光在铝(涂层)/镍(基底)和镍(涂层)/铝(基底)系统中激发的超声表面波波形,它们分别对应了硬涂层系统和软涂层系统。结果表明,圆柱型涂层/基底系统中的超声表面波是色散的,并且其色散特性由弯曲柱面引起的几何色散和涂层/基底系统引起的色散共同决定,这使得圆柱型涂层系统中色散特性远比板状涂层系统杂,不存在简单的正常和反常色散规律。     

高温下表面波测量亚表面缺陷宽度的数值模拟

为了实现激光超声技术对不同温度下亚表面缺陷宽度的定量检测,本文采用了有限元法模拟了激光激发表面波与亚表面缺陷的作用,并提出了一种利用表面波定量计算亚表面缺陷宽度的方法。首先在亚表面缺陷的一侧产生表面波,然后在另一侧产生表面波,最后分别在两侧检测到来自在亚表面缺陷的入射和反射表面波。当亚表面缺陷处于一个表面波波长的作用范围内时,基于入射和反射表面波的到达时间可实现计算亚表面缺陷宽度。数值结果与理论结果吻合良好,为高温下采用激光超声技术定量计算亚表面缺陷宽度提供了一种十分有效的数值方法。     

有限元方法在激光超声研究中的应用

基于热弹机理 ,结合激光超声的特点阐述了用有限元法研究激光超声的注意点 ,给出了有限元单元长度和时间步长的选取原则 ,并把有限元方法成功应用于管状材料中激光超声的研究 ,在考虑材料热物理参数随温度变化的前提下首先得到了薄铝管中的温度场 ,再用得到的最高温度场作为加载得到了薄铝管中的超声Lamb波。可见 ,有限元方法用于研究激光超声是非常有效的。     

激光激发横波作用垂直裂纹侧面后的模式转换

为了研究激光激发横波与材料表面垂直裂纹侧面作用所发生模式转换现象,采用有限元法模拟了激光水平激发、垂直侧面接收的声传播及模式转换,并进行了相应的实验验证。分析激光激发超声波传播至垂直侧面时,侧面接收点在不同深度接收位移信号的变化情况。结果表明,当侧面接收点处于临界角对应深度以内时,出现激光激发表面波在拐角次生源处产生的表面波信号;而当侧面接收点处于临界角以外时,在此信号之前出现了经由激光激发横波作用垂直裂纹侧面所产生的模式转换,并形成新的表面波;且对于固定的激发位置,随着接收点位置下移,两种信号之间的到达时差逐渐增大。该结果可促进激光超声对垂直裂纹的检测研究。     

金属和非金属材料中激光超声前驱小波分析

根据激光脉冲的时间分布、空间分布及材料物理参数与激光超声波形特征的关系,采用有限元方法(FEM)建立了激光超声的热弹有限元数值模型,得到了金属和非金属材料中的温度场分布,将温度场作为超声力源进而得到热弹激发的超声对心波形。根据对心波形,分析了前驱小波的成因和规律。结果表明,金属材料中由于热扩散效应在金属表面附近激发出一个位于表面的力源;非金属材料由于同时存在光学穿透效应,在材料表面层下形成一个有一定深度的体力源。激光辐照导致金属材料中加热区域急速膨胀进而产生垂直于表面方向的应力,而非金属材料该垂直表面方向的应力作用于材料表面下方一定深度处。因此金属材料中前驱小波为单极波形,而在非金属材料中表现为双极波形。前驱小波波形的特征反映了材料的物理性质和参数。该研究为利用前驱小波进行材料的定量检测和无损评价提供了依据。