线状烧蚀光源作用时瑞利表面波的指向性研究

针对线状激光光斑烧蚀工件表面的情况,利用理论分析和实验验证的方法研究了激光超声瑞利表面波的指向性。基于激光超声的烧蚀机理,将激光的烧蚀作用等效于法向应力,研究了线状垂直力源作用下远场质点的位移,提出了瑞利表面波的指向性公式。搭建了一套激光超声瑞利表面波激发与接收的系统,对获得的信号进行了幅频特性分析,以便验证信号中心频率与换能器中心频率的对应性。利用信号的峰峰值获得瑞利表面波指向性数据的实验值,并对指向性公式进行了验证。结果表明,该指向性公式对于瑞利表面波检测具有一定的参考价值。     

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。     

激光阵列用于改善声表面波信噪比的数值研究

为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。     

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。     

激光远场激发表面波在开口缺陷处的散射回波

为了实现激光超声技术对表面缺陷的定量检测,采用有限方法模拟了激光激发的表面波与表面开口矩形缺陷作用的复杂过程,比较了近场和远场两种不同激发方式下相同接收点的位移信号,发现远场激发下各种模式转换波和反射表面波能充分分离,有利于分析表面波与缺陷作用的复杂过程。在远场激发方式下分别探讨了表面波与缺陷前沿和后沿的作用过程,提取缺陷产生的散射回波特征,并用惠更斯原理分析其产生原因。最后研究了缺陷深度和宽度变化对散射回波特征的影响。结果表明,散射回波特征点到达时间差与缺陷深度和宽度有线性关系。该研究为反问题估算缺陷尺寸提供了理论依据。     

基于COMSOL的激光超声裂纹检测数值模拟研究

为了利用激光超声技术检测裂纹信息,本文基于有限元分析软件(COMSOL)的热-固耦合物理场,建立激光超声无损检测模型,从激光的功率密度、空间分布、时间分布将激光等效成表面力源,采用完美匹配层、低反射边界、热绝缘边界消除边界回波。通过固定激励源与探针的距离,对探针信号的分析,进行了不同位置裂纹对脉冲回波峰值及到达时间影响规律的仿真,与实验相比较,此模型具有很高的正确性。结果表明:固定激励源与探针的距离,脉冲回波的峰值会随着裂纹与探针距离的减少而增大,脉冲回波的到达时间会逐渐提前;透射波的幅值会衰减,到达时间会稍有延迟。     

基于表面波增强效应的圆柱表面缺陷检测方法研究

激光照射金属圆柱表面激发出的声表面波,在沿圆柱表面传播过程中产生色散和相移,并在表面缺陷前沿处幅值会有显著增强的现象,为表面缺陷的检测提供了新途径。基于激光激发的声表面波这一现象,提出通过扫描检测点的方法确定缺陷的位置,给出了表面波在表面缺陷附近的传播路径和缺陷深度计算公式。数值研究表明:(1)相对于脉冲回波法,扫查检测点方法提高了缺陷检测的位置精度,有效减小了圆柱表面波传播过程的色散和频移现象对缺陷位置精度的影响。(2)当缺陷深度范围为1~2 mm,通过给出的缺陷深度计算公式得到仿真缺陷深度与实际缺陷深度之间的误差控制在6 %以内,验证了提出的缺陷深度计算公式的有效性。以上研究结果为应用表面波检测圆柱类零件表面缺陷提供了有价值的参考。     

激光超声在缺陷材料中散射波形的声谱分析

利用有限元法模拟了脉冲激光作用于单层铝板表面,由热弹机制产生超声波及其传播过程。针对相同厚度而含有不同深度的表面裂痕与给定埋藏深度的亚表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,初步得到了声表面波经过表面裂痕及其亚表面裂痕时产生的反射及透射波形的特征;同时基于Wigner Ville分布的时间频率分析,得到了在裂痕前、后激光激发的瞬态表面波形的能量在时间频率平面内分布的情形,并就时频分析结果提出了不同深度的表面裂痕与亚表面裂痕对声表面波的声谱特征产生的显著影响,为激光超声的无损检测技术走向定量化提供了初步的理论依据。     

激光冲击强化诱导的残余应力场分析

激光冲击强化是一种新兴的现代表面处理技术,它利用激光产生的高幅冲击波在冲击区诱导出有益的残余压应力,从而达到强化材料的目的。在分析了激光冲击强化的基本原理和残余应力的形成过程后,探讨了残余应力的计算模型,同时对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明在激光冲击强化过程中,存在最佳的冲击波峰值压力;经激光冲击后,金属表面产生很深的残余压应力,且冲击区的残余压应力在表面和深度方向上都基本为均匀分布。     

基于光热调制检测发动机叶片疲劳裂纹的激光声表面波方法

提出了基于光热调制的激光声表面波检测疲劳裂纹的实验系统和方法,并将其用于发动机叶片疲劳裂纹的检测。Nd∶YAG激光器产生的激光通过凸透镜聚焦在样品表面,同时用半导体激光在激发点同一位置进行光热调制,利用干涉仪在另一位置探测声表面波信号。利用精密平移台在可能的裂纹区扫描激发源和加热源,获得打开光热调制和关闭光热调制时的声表面波信号,也即不同位置处样品加热和冷却时的信号Sheat和Scool,由于光热调制产生的压应力使裂纹闭合,使Sheat产生明显的峰值变化,因此差值信号ΔS=Sheat-Scool即为疲劳裂纹闭合引起的信号变化。对叶片表面裂纹检测的实验结果表明,该方法具有较高的检测灵敏度和可靠性。     

激光超声检测带涂层金属表面裂纹的数值研究

为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用，采用有限元模拟的方法，分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型，并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析，得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明，瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化；当表面存在裂纹时，不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度h_c成线性关系，带涂层模型的Δt与h_c以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。     

表面裂纹深度检测的非接触光声检测技术研究

提出了一种基于激光超声宽带透射系数和的表征参数,实现了表面裂纹深度的定量检测。通过有限元仿真与实验测量方法,从时域和频域分析了激光产生的瑞利波与表面裂纹的相互作用机制,采用宽带透射系数和作为表征裂纹深度的物理参数,并建立了其与表面缺陷深度之间的拟合方程。结果表明,脉冲激光产生的瑞利波对金属表面裂纹深度变化十分敏感,所提出的计算方法可用于精确判断表面裂纹的深度。本文研究成果可为工件表面裂纹的非接触检测提供潜在应用。     

热弹激光超声激励及缺陷检测的有限元分析

为了探讨热弹激光超声的激励机制及其在缺陷检测中的应用,采用有限元分析法对材料中的温度场及应力场进行了计算.阐述了脉冲激光辐照材料的理论基础,将脉冲激光加载于工件表面,同时考虑对流和辐射换热边界条件,分析了材料中的温度场;基于热固耦合,将温度场加载于应力场分析过程中,讨论了热弹机制下纵波声场和横波声场的指向性分布,并通过...     

利用激光超声纵波的衍射信号测量开口裂纹

激光超声的纵波声场在工件内部各个方向均有分布,相比于横波和表面波,纵波最先到达开口裂纹处,随后发生衍射以及产生波型转换现象.若提取相应含有开口裂纹信息的超声波信号,便能够达到缺陷识别的目的.基于烧蚀机制下激光超声纵波声场的分布特点,分析了衍射纵波信号的时间及相位特征,并给出了裂纹参数的表达式.建立了含开口裂纹工件的二维...     

基于ABAQUS的激光冲击波诱导残余应力场的有限元模拟

激光冲击处理(LSP)(或激光喷丸强化)是利用激光冲击波压力对材料表面实施强化处理的一种新型表面处理技术。经激光冲击后，残余压应力在材料表面和深度方向上的分布和大小是评价激光冲击效果的一个重要指标，而有限元模拟(FEM)是预测激光冲击处理后残余应力场分布和大小的一种有效方法。在利用ABAQUS软件对激光冲击处理6061-T6铝合金进行数值分析时，讨论了有限元模型、材料性能、冲击加载方式、分析时间等关键问题的处理方法，并分析了激光冲击后残余应力场的分布特点，最后利用有限元模拟考察了激光冲击次数对残余应力场的影响。     

激光瑞利波的时间依赖性探测表面缺陷深度

针对金属构件表面微小缺陷非接触式定量检测的难题,本文采用有限元法模拟了激光产生的瑞利波与不同深度的表面缺陷的相互作用,研究了瑞利反射波与表面缺陷深度的时间依赖关系。通过分析该时间依赖关系的产生机制,提取出能够定量表征表面缺陷深度的时域特征量,得出了该时域特征量与表面缺陷深度的数学关系表达式,并利用该数学关系表达式进行了激光超声表面缺陷检测实验中的深度计算。结果表明,实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性,该时域特征量与缺陷深度呈线性关系,能够定量表征表面缺陷深度的范围为0.1~0.5 mm,最大误差≤0.06 mm。