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《激光激發(fā)超聲與材料表面裂痕作用過程的數(shù)值分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、激光激發(fā)超聲與材料表面裂痕作用過程的數(shù)值分析關建飛，沈中華，許伯強，陸建，倪曉武南京理工大學信息物理與工程系，江蘇南京，210094摘要：本文利用有限元法模擬了脈沖激光作用于單層鋁板表面激發(fā)超聲波的物理過程。在數(shù)值模擬中，脈沖激光被視為一種外在的瞬態(tài)熱源，基于熱彈機制計算了聲表面波的產生及其傳播過程。進一步選取了相同厚度而含有不同深度的表面裂痕的單層鋁板進行了對比計算，初步得到了聲表面波經過裂痕后的反射及透射波形特征，分析了反射、透射信號的幅值隨著裂痕的深度的增加呈現(xiàn)出的單調遞增，遞減的變化規(guī)律，為激光
2、超聲的無損探傷提供初步的理論依據(jù)。關鍵詞：激光，有限元法，瑞利波，表面裂痕NumericalSimulationofScatteringofRayleighWavesbytheSurface-breakingCrackJianfeiGuan,ZhonghuaShen,BaiqiangXu,JianLu&XiaowuNiDept.ofAppl.Physics,NanjingUniversityofSci.&Tech.,Nanjing,210094,ChinaAbstractInthispaper,then
3、umericalmethodsimulateslaser-generatedultrasounicusingthefiniteelementmethodintheplatematerial.Thepulsedlaserisassumedtobetransientheatsource,andtheRayleighwaveiscomputedbasedonthethermoelastictheory,whichpropagatedonthetopsurfaceoftheAlplate.Wehavecompu
4、tedthedifferentresultsoftheAlplateswiththevarieddepthsurface-breakingcrack,thenattainedthecharacteristicsofreflectedwavesandtransmittedwaveswhicharegeneratedbytheRayleighwavesinteractedwiththesurfacebreakingcrackswithdifferentdepth.Theresultestablishaqua
5、ntitativebasisforlaserultrasoundicsinnondestructiveevaluationofthematerialproperties.Keywordslaser,finiteelementmethod,RayleighWave,surface-breakingcrack引言：由于激光超聲具有非接觸激發(fā)，且激發(fā)的聲波具有模式豐富，頻帶寬等特點，在無損檢測領域得到越來越廣泛的應用[1-3]。當激光能量較低，未引起材料的熔融時，激光超聲的主要激發(fā)機理是熱彈性激發(fā)。熱彈激發(fā)超
6、聲時，樣品表面沒有受到破壞以至由激光產生的超聲波形可以重復測量，所以熱彈機制產生超聲更適宜無損檢測，尤其是沿材料表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?RayleighWave)具有激發(fā)效率高，無衰減和易于檢測等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對表面裂痕與亞表面缺陷的檢測和定位。隨著激光熱彈機制激發(fā)超聲的理論研究工作的不斷深入，雙積分變換方法[4]、格林函數(shù)法[5]和本征函數(shù)展開法[6-8]等解析方法的由于計算本身的復雜性而逐漸的被各種數(shù)值方法取代。近年來，沈，許等人創(chuàng)造性地提出利用有限元模擬金屬材料中激光超聲的產生和傳播，并成功地計算出了
7、單層[9]，雙層（薄膜/基底）[10]，多層材料[11]中激光激發(fā)聲表面波的物理過程。有限元方法能夠靈活處理復雜的幾何模型與邊界條件，并且能夠得到全40場數(shù)值解。因而，在本文的研究中，我們采用有限元法模擬了能量密度呈Guass型線源分布的脈沖激光作用于鋁板表面產生的聲表面波經過表面裂痕所發(fā)生的散射過程。數(shù)值模擬結果建立了輸入裂痕深度的參數(shù)和產生的反射和透射的表面聲波形特征之間的對應關系，為進一步應用激光超聲的無損檢測提供了依據(jù)。2.熱彈控制方程與有限元理論激光垂直輻照到材料表面，如圖1(a).所示。當脈
8、沖激光輻照的能量低于樣品的融熔閾值時，由于樣品吸收激光能量而產生局部熱膨脹，從而產生瞬態(tài)位移場。在熱彈性體中，熱傳導方程的有限元控制形式為：[]K{}T+[C]{T&}={p}+{p}12(1)式中[C]為熱容量矩陣，[K]為熱傳導矩陣，{p1}是熱流矢量，{p2}是熱源矢量，{T}是溫度，{}T&是溫度隨時間的變化率。YMNDGOAEFCXB(a)三維的物理模型(b)計算模型圖1。模型示意圖對于熱彈模型中隨著溫度場的變化產生的瞬態(tài)位移滿足
