用于缺陷检测的激光超声数值模拟
发布时间：2022-01-02 22:23
激光超声检测技术凭借非接触测量、激发超声波频带范围宽、能检测出微小缺陷等优点,在缺陷检测领域应用越来越广泛。由于激光激发超声的机理较为复杂,超声传播路径不唯一,波形交叠现象严重,影响实际缺陷的检测与识别。本文围绕激光超声检测金属缺陷的光声转换与传播问题,以有限元数值模拟为手段,分析了脉冲激光激发超声波的物理过程,研究了激光超声在金属中的传播规律以及缺陷检测的表征方法,为实际激光超声在缺陷检测中的应用奠定基础。本文基于激光超声的基本理论,采用仿真软件COMSOL Multiphysics建立了激光线源热弹激发超声波的二维平面应变模型,数值模拟了脉冲激光激发出的瞬态温度场、应力场以及总声场,研究了三个物理场的变化规律,并且通过实验验证了仿真回波信号的正确性;针对影响回波信号因素的问题,讨论了模型厚度和激光线宽对回波信号的影响,确定了有限元仿真的具体参数,有效保证了缺陷检测数值模拟的有效性;依据激光超声在表面及内部缺陷模型中的传播原理,仿真得出缺陷试件的激光超声回波信号,分析了缺陷深度、位置对回波信号幅值、渡越时间的影响,并以此为依据实现了缺陷的粗略定位。本文得到的结论,可为激光检测实验提供...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脉冲激光激发出的超声波声场
中北大学学位论文16热弹激发出声波的传播规律和缺陷回波。仿真求解步骤如下：（1）选择物理场脉冲激光激发超声波的物理过程首先为热传导过程，激光作用处快速吸收部分激光能量后转化为热能，因此选择固体传热模块；随着热量的传递，这样一个瞬态局部温升必然引起热膨胀，从而引起应力和应变，这一过程把热能转化成了机械能，因此选择固体力学模块。（2）建立模型、设置材料参数本课题选用金属铝板为研究对象，具有各向同性，将三维模型等效为二维平面应变模型进行求解，如图3-2所示。在几何窗口绘制一个长30mm宽10mm的长方形代表被测工件铝板，脉冲激光加载到铝板的上表面，同样在上表面距离激光入射X处接收信号，X为激发点到探测点的距离。铝板材料的物理参数如表3-1所示：表3-1铝的力学参数Tab.3-1Mechanicalparametersofaluminum杨氏模量(Pa)泊松比(Pa)热膨胀系数(K-1)(Pa)(Pa)7.02×10100.342.31×10-55.81×10102.61×1010图3-2仿真模型Fig.3-2Simulationmodel（3）施加力源、设置边界条件本仿真中采用的激光源呈高斯函数分布。在激光激发超声波的过程中，被测工件表脉冲激光接收点X
中北大学学位论文17面激光辐射引起的瞬间温升是激发超声波的主要原因，相当于一个力源，因此热传导过程是进行能量交换的主导过程，不考虑材料表面对激光的反射以及材料本身与外界的热对流等情况，认为激光能量完全被材料所吸收，则铝板的上表面吸收的脉冲激光能量可以表示为：)()()(),(0txQAtgxfTI（3-7）式中，)/exp()(202Rxxf（3-8）)/exp()/()(00tttttg（3-9）其中，0R为脉冲激光的光斑半径，0t为脉冲激光的上升时间，本仿真中，设光斑直径为30m，脉冲激光上升时间0t为10ns。tA)(取1。脉冲激光的空间分布xf)(和时间分布tg)(如图3-3、3-4所示：图3-3空间分布图3-4时间分布Fig.3-3SpacedistributionFig.3-4Timedistribution在热分析中，设定材料的初始温度为293.15K,模型的边界条件按绝热处理。在应力分析中，铝板的左右两侧边界增加低反射边界条件，上下表面满足自由边界条件，初始应力和位移都为零。（4）网格剖分为保证能量在连续的两个节点之间传递，选取合适的空间分辨率即网格大小尤为重要。通常情况下，网格小于弹性波波长的1/4才能够满足激光作用后的弹性波的传播的精度要求。对于空间分布为高斯函数，时间分布为狄拉克函数)(t的脉冲激光激发的超
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光超声技术在先进复合材料无损检测中的应用研究[J]. 孙广开,周正干,陈曦. 失效分析与预防. 2016(05)
[2]基于激光超声的铝合金搅拌摩擦焊典型缺陷检测及分析[J]. 郑德根,陈华斌,王继锋,林涛,陈善本. 焊接学报. 2015(07)
[3]激光超声表面波检测薄板残余应力的数值模拟[J]. 战宇,刘常升,张凤鹏,邱兆国. 东北大学学报(自然科学版). 2015(03)
[4]激光超声波成像技术在奥氏体不锈钢焊缝检测中的研究[J]. 曾伟,王海涛,田贵云,汪文,王骁,胡国星. 中国激光. 2014(07)
[5]基于应力-位移混合有限元法的激光超声数值模拟[J]. 许伯强,刘洪凯,徐桂东,徐晨光,李俊敏. 激光技术. 2014(02)
[6]脉冲激光线源激发金属圆管中冯.密赛斯应力的研究[J]. 何跃娟,朱云,刘慧娟. 激光杂志. 2011(05)
[7]脉冲激光线源热弹激发超声导波的数值研究[J]. 关建飞. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2011(03)
[8]利用激光超声研究功能梯度材料中声表面波的传播特性[J]. 程曦,徐晓东,刘晓峻. 声学学报. 2011(02)
[9]激光超声无损检测技术研究[J]. 赵添. 科技情报开发与经济. 2010(32)
[10]激光激发单模兰姆波的有限元模拟[J]. 曹豆豆,王开圣,杨雁南. 南京航空航天大学学报. 2010(04)
博士论文
[1]金属表面缺陷和钢轨踏面残余应力的激光超声无损检测研究[D]. 王晶.北京交通大学 2016
[2]基于激光技术的振动和超声检测方法研究[D]. 张超.南京航空航天大学 2016
[3]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
[4]基于激光超声检测金属材料表面缺陷的数值模拟[D]. 戴永.江苏大学 2011
[5]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
硕士论文
[1]金属表面缺陷激光超声检测技术研究[D]. 李巧霞.中北大学 2018
[2]声表面波用于表面加工损伤检测有限元仿真技术研究[D]. 盛金月.天津大学 2016
[3]基于反射横波的金属材料内部缺陷激光超声检测研究[D]. 李远林.南京理工大学 2014
[4]激光超声无损检测系统关键技术研究[D]. 谭项林.国防科学技术大学 2011
[5]激光源空间分布对激光声表面波影响研究[D]. 杨森.南京理工大学 2009
本文编号：3564990
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脉冲激光激发出的超声波声场
中北大学学位论文16热弹激发出声波的传播规律和缺陷回波。仿真求解步骤如下：（1）选择物理场脉冲激光激发超声波的物理过程首先为热传导过程，激光作用处快速吸收部分激光能量后转化为热能，因此选择固体传热模块；随着热量的传递，这样一个瞬态局部温升必然引起热膨胀，从而引起应力和应变，这一过程把热能转化成了机械能，因此选择固体力学模块。（2）建立模型、设置材料参数本课题选用金属铝板为研究对象，具有各向同性，将三维模型等效为二维平面应变模型进行求解，如图3-2所示。在几何窗口绘制一个长30mm宽10mm的长方形代表被测工件铝板，脉冲激光加载到铝板的上表面，同样在上表面距离激光入射X处接收信号，X为激发点到探测点的距离。铝板材料的物理参数如表3-1所示：表3-1铝的力学参数Tab.3-1Mechanicalparametersofaluminum杨氏模量(Pa)泊松比(Pa)热膨胀系数(K-1)(Pa)(Pa)7.02×10100.342.31×10-55.81×10102.61×1010图3-2仿真模型Fig.3-2Simulationmodel（3）施加力源、设置边界条件本仿真中采用的激光源呈高斯函数分布。在激光激发超声波的过程中，被测工件表脉冲激光接收点X
中北大学学位论文17面激光辐射引起的瞬间温升是激发超声波的主要原因，相当于一个力源，因此热传导过程是进行能量交换的主导过程，不考虑材料表面对激光的反射以及材料本身与外界的热对流等情况，认为激光能量完全被材料所吸收，则铝板的上表面吸收的脉冲激光能量可以表示为：)()()(),(0txQAtgxfTI（3-7）式中，)/exp()(202Rxxf（3-8）)/exp()/()(00tttttg（3-9）其中，0R为脉冲激光的光斑半径，0t为脉冲激光的上升时间，本仿真中，设光斑直径为30m，脉冲激光上升时间0t为10ns。tA)(取1。脉冲激光的空间分布xf)(和时间分布tg)(如图3-3、3-4所示：图3-3空间分布图3-4时间分布Fig.3-3SpacedistributionFig.3-4Timedistribution在热分析中，设定材料的初始温度为293.15K,模型的边界条件按绝热处理。在应力分析中，铝板的左右两侧边界增加低反射边界条件，上下表面满足自由边界条件，初始应力和位移都为零。（4）网格剖分为保证能量在连续的两个节点之间传递，选取合适的空间分辨率即网格大小尤为重要。通常情况下，网格小于弹性波波长的1/4才能够满足激光作用后的弹性波的传播的精度要求。对于空间分布为高斯函数，时间分布为狄拉克函数)(t的脉冲激光激发的超
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光超声技术在先进复合材料无损检测中的应用研究[J]. 孙广开,周正干,陈曦. 失效分析与预防. 2016(05)
[2]基于激光超声的铝合金搅拌摩擦焊典型缺陷检测及分析[J]. 郑德根,陈华斌,王继锋,林涛,陈善本. 焊接学报. 2015(07)
[3]激光超声表面波检测薄板残余应力的数值模拟[J]. 战宇,刘常升,张凤鹏,邱兆国. 东北大学学报(自然科学版). 2015(03)
[4]激光超声波成像技术在奥氏体不锈钢焊缝检测中的研究[J]. 曾伟,王海涛,田贵云,汪文,王骁,胡国星. 中国激光. 2014(07)
[5]基于应力-位移混合有限元法的激光超声数值模拟[J]. 许伯强,刘洪凯,徐桂东,徐晨光,李俊敏. 激光技术. 2014(02)
[6]脉冲激光线源激发金属圆管中冯.密赛斯应力的研究[J]. 何跃娟,朱云,刘慧娟. 激光杂志. 2011(05)
[7]脉冲激光线源热弹激发超声导波的数值研究[J]. 关建飞. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2011(03)
[8]利用激光超声研究功能梯度材料中声表面波的传播特性[J]. 程曦,徐晓东,刘晓峻. 声学学报. 2011(02)
[9]激光超声无损检测技术研究[J]. 赵添. 科技情报开发与经济. 2010(32)
[10]激光激发单模兰姆波的有限元模拟[J]. 曹豆豆,王开圣,杨雁南. 南京航空航天大学学报. 2010(04)
博士论文
[1]金属表面缺陷和钢轨踏面残余应力的激光超声无损检测研究[D]. 王晶.北京交通大学 2016
[2]基于激光技术的振动和超声检测方法研究[D]. 张超.南京航空航天大学 2016
[3]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
[4]基于激光超声检测金属材料表面缺陷的数值模拟[D]. 戴永.江苏大学 2011
[5]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
硕士论文
[1]金属表面缺陷激光超声检测技术研究[D]. 李巧霞.中北大学 2018
[2]声表面波用于表面加工损伤检测有限元仿真技术研究[D]. 盛金月.天津大学 2016
[3]基于反射横波的金属材料内部缺陷激光超声检测研究[D]. 李远林.南京理工大学 2014
[4]激光超声无损检测系统关键技术研究[D]. 谭项林.国防科学技术大学 2011
[5]激光源空间分布对激光声表面波影响研究[D]. 杨森.南京理工大学 2009
本文编号：3564990
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3564990.html
