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。     

透明薄膜/基底系统激光超声波的有限元数值研究

在分析了网格大小和时间步长这两个重要参数和求解稳定性的基础上,采用有限元方法建立了透明薄膜/基底系统的热传导方程和热弹性方程的有限元模型。考虑了薄膜和基底的物理参数随温度的变化,得到了激光照射透明薄膜/基底系统温度场空间分布,由此计算出由热弹效应激发的超声对心波形。结果表明,透明薄膜厚度的增加,会影响到激光激发的对心超声波形;当薄膜厚度增大时,对心超声波形中的双极脉冲波形振幅变大,波形宽度加大。该方法为透明薄膜/基底系统的定量检测和无损评价提供了理论依据。     

激光作用于圆管产生瞬态温度场的数值模拟

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于管状材料时产生的温升情况。有限元模型考虑了激光作用过程中的热物理参数随温度变化的特性,得到了材料中各个点的瞬态温度场,也得到了有温升的范围,并给出了温度随径向和周向的分布曲线,为热弹条件下激光激发管状材料中超声导波的研究提供了定量基础。     

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...     

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.     

激光激发瑞利波测量铝合金焊接残余应力

根据声弹性原理提出了一种新的测量材料表面焊接应力的激光超声方法.利用Nd:YAG脉冲激光在材料表面激发高频率超声瑞利波,采用非线性激光干涉仪对检测焊接应力的超声瑞利波进行探测.探测点的位置保持不变,通过激发源的扫描来改变激发源和探测点之间的距离,干涉仪探测到一系列超声脉冲波形信号.采用波形相关技术计算相邻超声瑞利波的传播时间延迟,得出瑞利波的传播速度,进而根据声弹性理论计算出相应的应力值.通过激光源在焊缝附近的扫描,得到焊缝周围的应力分布.测量了铝焊接平板表面的残余应力,得到了样品表面的焊接应力分布.实验结果表明,这种方法可以实现样品表面焊接应力的快速扫描测量,使其在材料表面焊接应力分布无损检测领域具有一定的应用价值.     

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。     

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。     

双层管状材料在脉冲激光作用下的二维温升模拟

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于镍薄膜铝基底这种双层圆管状材料时产生的温升情况 ,在考虑材料的热物理参数随温度变化的基础上得到了薄膜和基底中各个点的瞬态温度场 ,并分别给出了薄膜和基底中的温度随周向在各个不同时刻的分布曲线 ,为热弹条件下激光激发薄膜 -基底式圆管状材料中超声导波的研究工作提供了定量基础     

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。     

激光超声测量T800/QY9511复合材料工程常数的有限元模拟

为了获取T800/QY9511复合材料的工程常数，利用有限元软件ABAQUS，通过将激光线源等效为力源，模拟了脉冲激光作用于材料表面、激发在材料内部传播的超声波的过程，并在激励点对心处提取波形，得到了5个体波波速，进而根据克里斯托菲尔弹性理论计算了工程常数。结果表明，与真实值相比，弹性模量数值解的平均误差为1.56%，泊松比数值解的平均误差为2.98%，剪切模量数值解的误差为1.4%。激光超声方法在复合材料工程常数测量上具有可行性与准确性，为实验室测量相关参量及其工程应用提供了依据。     

激光脉冲波形对液体中热膨胀机制致声特性的影响

首先阐述了激光与液体媒质作用通过热膨胀机制激发平面光声源的理论;分别针对激光脉冲为正弦波形、三角波形和高斯波形的情况,推导了激光脉冲分别在约束界面和自由界面下产生声脉冲的解析解,然后通过仿真得到了激发声波的光声脉冲剖面和时空分布图;并对比分析了正弦波形、三角波形和高斯波形的激光脉冲分别在约束边界和自由边界下激发声波的峰值声压、光声转换效率和波形等特性.     

三角波形激光脉冲在液体中致声的特性分析

为了研究激光脉冲波形对其在液体中致声特性的影响,基于激光致声的热膨胀机制机理,采用理论推导和数值仿真的方法,对三角波形激光脉冲激发声波的特性进行了分析。首先阐述了激光与液体媒质通过热膨胀机制作用激发平面光声源的理论;推导了激光脉冲为三角波形时在约束边界和自由边界下产生声脉冲的解析解,并通过仿真得到了声脉冲剖面;然后通过模拟得到了不同边界下激发光声脉冲的波形;最后分别推导了约束边界和自由边界下的光声转换效率,分析了转换效率的影响因素,并对不同边界下的转换效率进行了求解和对比。结果表明,该研究对激光致声技术的工程应用具有理论指导意义。     

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。     

反射激光式超声测厚传感器及其应用

研制了激光超声测厚传感器,并对其测试原理进行了讨论.该传感器具有高频响、频带宽、较高的灵敏度且易于调节.进而采用该传感器测试了由脉冲Nd:YAG激光在抛光的薄铁片上所激发的超声纵波.根据铁片背面对心处接收到的超声纵波及其回波波形,可以推算出样品薄板的厚度.理论和实验测试结果显示,该传感器的相对测量误差达0.5%.     

基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。     

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。