基于激光超声的钢桥面板损伤成像研究
发布时间：2021-10-08 16:40
激光超声是使用脉冲激光在材料表面激发产生超声波在结构表面和内部同时传播,能够克服传统超声换能器的诸多不足,且具有非接触激发、频带宽和多模态等特点,对材料表面、内部微裂纹或缺陷具有良好的检测效果,被认为是一种方便灵活,且具有应用前景的无损检测技术。本论文将激光超声方法用于土木工程结构,特别是钢桥板结构的无损检测中,主要研究内容如下:首先,给出了激光激发超声的基本机理,分析了热弹性和融蚀性两种不同的激光超声激发机制,得到了均匀各向同性固体中激光激发超声波传播的物理模型,介绍了四种常用的激光超声检测方法的工作原理。其次,基于有限元热弹耦合分析方法对激光作用于金属板材进行数值模拟,详细分析不同网格尺寸、板厚、线源半宽及激光脉宽下节点的位移响应时程,得到了不同参数对激光超声信号的影响规律,由此可采用更合理的参数设置来获得更高效率和信噪比的超声位移信号。随后通过集成脉冲激光器、振镜、信号采集系统以及LabVIEW软件平台,搭建了具有自动扫描功能的激光超声系统,可用编程电压对振镜进行控制,使用信号发生器对激光器进行控制并进行同步信号数据采集与存储,实现了激光超声激发与接收的功能。最后,采用激光器外控...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光热弹性机制激发示意图
图 2-1 激光热弹性机制激发示意图蚀性机制激光的能量密度较大时，能量密度大于材料的熔融阈值，面产生熔融，气化，喷溅，电离甚至是等离子体[39]，快速的体就会对被测材料表面形成较大的反冲力，如果是周期的脉表面产生周期的作用力，激发出周期性脉冲波，这种激发模见图 2-2。融蚀性的物理过程可以归结为是由动量传递而引引起材料表面振动的弹性动力学问题。
图 3-3 热分析时材料的温度云图图 3-4 热应力分析时位移云图3.5 数值模拟结果及讨论3.5.1 不同网格尺寸对激光超声信号的影响为了对薄板中导波传播过程精确的模拟并尽可能涵盖高频信号，模拟采用的时间步长和网格尺寸应满足max120tf ，min20l 的要求，同时模拟所采用的时间步长和网格尺寸应尽可能的相协调。较密的网格能够分辨出更高频率的超声导波，但是过密的网格会降低计算效率，这就需要根据自己所需要研究的频率范围选择合适的网格尺寸，根据Lamb波的频散曲线可知，低频Lamb波模态较易区分，有利于用已有的设备进行检测。对于板厚较薄的薄板来说，波长相比板厚较大，激光辐照材料表面时，主要产生的是Lamb波，根据如图 3-5 所示的 1mm厚铝板中的Lamb波频散曲线可知，Lamb波有对称和反对称两种传播模态，当频厚积在1.0MHz mm 以下时，板中Lamb波模态较少，主要以S0和A0模态为主，因为两者波速相差较大，模态较容易区分，
【参考文献】：
期刊论文
[1]组合结构桥梁的发展与应用前景[J]. 邵长宇. 城市道桥与防洪. 2016(09)
[2]正交异性钢桥面板顶板贯穿型疲劳裂纹研究[J]. 唐亮,黄李骥,刘高,吴文明. 公路交通科技. 2012(02)
[3]应用于激光超声检测的新型光偏转探测技术[J]. 白茂森,傅星,Dante Dorantes,金宝印,胡小唐. 传感器与微系统. 2011(10)
[4]超声探伤技术在无损检测中的应用[J]. 朱晓恒,高晓蓉,王黎,王泽勇,周小红,彭建平. 现代电子技术. 2010(21)
[5]电磁超声换能器（EMAT）的应用技术研究[J]. 李倩,林书玉,王春玲. 电子元器件应用. 2008(10)
[6]激光在近表面弹性性质梯度变化的材料中激发超声波的数值分析[J]. 袁玲,沈中华,倪晓武,陆建. 物理学报. 2007(12)
[7]激光激发瞬态Lamb波的实验检测与数值模拟[J]. 倪晓武,陈笑,许伯强,徐荣青,沈中华,陆建. 南京理工大学学报(自然科学版). 2003(05)
[8]近代以来中外桥梁发展概述[J]. 孔祥福,符力国,张珂. 山东交通学院学报. 2003(02)
[9]固体中脉冲激光激发声表面波的理论研究[J]. 高会栋,沈中华,徐晓东,张淑仪. 应用声学. 2002(05)
[10]复合材料无损检测技术的现状与展望[J]. 刘松平,郭恩明. 航空制造技术. 2001(03)
博士论文
[1]金属焊接残余应力的激光超声无损检测研究[D]. 董利明.南京理工大学 2012
[2]激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究[D]. 严刚.南京理工大学 2007
本文编号：3424550
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光热弹性机制激发示意图
图 2-1 激光热弹性机制激发示意图蚀性机制激光的能量密度较大时，能量密度大于材料的熔融阈值，面产生熔融，气化，喷溅，电离甚至是等离子体[39]，快速的体就会对被测材料表面形成较大的反冲力，如果是周期的脉表面产生周期的作用力，激发出周期性脉冲波，这种激发模见图 2-2。融蚀性的物理过程可以归结为是由动量传递而引引起材料表面振动的弹性动力学问题。
图 3-3 热分析时材料的温度云图图 3-4 热应力分析时位移云图3.5 数值模拟结果及讨论3.5.1 不同网格尺寸对激光超声信号的影响为了对薄板中导波传播过程精确的模拟并尽可能涵盖高频信号，模拟采用的时间步长和网格尺寸应满足max120tf ，min20l 的要求，同时模拟所采用的时间步长和网格尺寸应尽可能的相协调。较密的网格能够分辨出更高频率的超声导波，但是过密的网格会降低计算效率，这就需要根据自己所需要研究的频率范围选择合适的网格尺寸，根据Lamb波的频散曲线可知，低频Lamb波模态较易区分，有利于用已有的设备进行检测。对于板厚较薄的薄板来说，波长相比板厚较大，激光辐照材料表面时，主要产生的是Lamb波，根据如图 3-5 所示的 1mm厚铝板中的Lamb波频散曲线可知，Lamb波有对称和反对称两种传播模态，当频厚积在1.0MHz mm 以下时，板中Lamb波模态较少，主要以S0和A0模态为主，因为两者波速相差较大，模态较容易区分，
【参考文献】：
期刊论文
[1]组合结构桥梁的发展与应用前景[J]. 邵长宇. 城市道桥与防洪. 2016(09)
[2]正交异性钢桥面板顶板贯穿型疲劳裂纹研究[J]. 唐亮,黄李骥,刘高,吴文明. 公路交通科技. 2012(02)
[3]应用于激光超声检测的新型光偏转探测技术[J]. 白茂森,傅星,Dante Dorantes,金宝印,胡小唐. 传感器与微系统. 2011(10)
[4]超声探伤技术在无损检测中的应用[J]. 朱晓恒,高晓蓉,王黎,王泽勇,周小红,彭建平. 现代电子技术. 2010(21)
[5]电磁超声换能器（EMAT）的应用技术研究[J]. 李倩,林书玉,王春玲. 电子元器件应用. 2008(10)
[6]激光在近表面弹性性质梯度变化的材料中激发超声波的数值分析[J]. 袁玲,沈中华,倪晓武,陆建. 物理学报. 2007(12)
[7]激光激发瞬态Lamb波的实验检测与数值模拟[J]. 倪晓武,陈笑,许伯强,徐荣青,沈中华,陆建. 南京理工大学学报(自然科学版). 2003(05)
[8]近代以来中外桥梁发展概述[J]. 孔祥福,符力国,张珂. 山东交通学院学报. 2003(02)
[9]固体中脉冲激光激发声表面波的理论研究[J]. 高会栋,沈中华,徐晓东,张淑仪. 应用声学. 2002(05)
[10]复合材料无损检测技术的现状与展望[J]. 刘松平,郭恩明. 航空制造技术. 2001(03)
博士论文
[1]金属焊接残余应力的激光超声无损检测研究[D]. 董利明.南京理工大学 2012
[2]激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究[D]. 严刚.南京理工大学 2007
本文编号：3424550
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