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.     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用.通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析.结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波:随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小.     

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。     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用。通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析。结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波;随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小。     

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。     

高温下表面波测量亚表面缺陷宽度的数值模拟

为了实现激光超声技术对不同温度下亚表面缺陷宽度的定量检测,本文采用了有限元法模拟了激光激发表面波与亚表面缺陷的作用,并提出了一种利用表面波定量计算亚表面缺陷宽度的方法。首先在亚表面缺陷的一侧产生表面波,然后在另一侧产生表面波,最后分别在两侧检测到来自在亚表面缺陷的入射和反射表面波。当亚表面缺陷处于一个表面波波长的作用范围内时,基于入射和反射表面波的到达时间可实现计算亚表面缺陷宽度。数值结果与理论结果吻合良好,为高温下采用激光超声技术定量计算亚表面缺陷宽度提供了一种十分有效的数值方法。     

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。     

基于小波分解表面波的涂层平板表面缺陷检测方法研究

激光照射在涂层平板表面产生的超声表面波传播时会产生色散现象,该现象会影响表面缺陷检测精度.针对表面波的色散问题,采用有限元仿真分析表面波在涂层平板表面的传播规律,利用Morse小波分解多频表面波信号,提取最大幅值单一频率的缺陷时域信号从而确定表面缺陷位置.在此基础上通过扫描缺陷附近检测点的方式,分析缺陷前沿入射波和缺陷...     

激光超声检测表面裂纹深度的数值模拟

为了研究激光冲击所引起的瑞利表面波在材料表面裂纹检测方面的作用,采用ABAQUS建立了激光超声无损检测表面裂纹的模型,并模拟激光在材料表面激发瑞利波及瑞利波沿材料表面传播的过程。从激光的峰值压力、空间分布、时间分布3个方面将激光冲击作用等效成力的作用,体现了激光参量在作用过程中所起到的作用;同时,使用无限单元消除了边界的反射回波。通过对接收点处瑞利表面波信号的分析,进行了不同深度表面裂纹对瑞利波回波峰值影响的定量比较。结果表明,瑞利反射波的正向峰值与下一次最大正向位移所对应的时间的比值和表面裂纹深度之间存在着线性关系,进而为实验测量表面裂纹深度提供了一种测量方法。     

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。     

激光激发表面波测量表面缺陷深度的数值研究

为了研究声表面波与表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对表面微缺陷定量检测,本文采用有限元法首先分别研究了声表面波与缺陷前沿、缺陷后沿的作用,然后讨论了缺陷宽度的存在对缺陷前沿与声表面波作用的影响,最后通过分析矩形缺陷与声表面波的作用,给出了能定量表征表面缺陷的特征量。研究结果表明:RS波(特征点Q)后的振荡信号(特征点W、E)来源于透射表面波在缺陷后沿所产生的振荡。特征点Q的到达时间随表面缺陷深度或宽度增大都呈现微小的线性增长；特征点W、E的到达时间差随表面缺陷深度的增大呈线性增长,与缺陷宽度的变化无关。最后,根据特征点的到达时间实现了缺陷深度的定量计算。研究结果为表面缺陷的定量检测提供了理论依据。     

激光声表面波检测材料表面微缺陷数值研究

采用平面应变的有限元模型数值模拟了激光线源辐照铝板表面激发出的声表面波的时域波形,比较了不同接收位置得到的位移信号的模式组成;同时研究了激光线源辐照区域近场存在表面微缺陷时产生的时域波形。数值结果说明：当激光源靠近表面微缺陷时激发出的声表面波模式中掠面纵波与瑞利波的位移信号均由典型的单极性迅速转变为显著的双极性特征,且瑞利波的峰-峰值将增加两倍左右,位移信号强度的显著变化为利用扫描激光检测材料表面微缺陷提供了理论依据。     

TC4合金激光立体成形孔洞类缺陷的超声检测

以TC4钛合金激光立体成形件为研究对象,探讨其内部、表面及近表面孔洞类缺陷与超声波的相互作用关系。研究结果表明,在相同检测条件下,对于TC4钛合金激光立体成形件中同深度不同孔径的长横孔缺陷,超声反射波幅值随长横孔直径的增加而增加;对于成形件中同孔径不同深度的长横孔缺陷,超声反射波幅值随长横孔所在深度增加而减小;利用5PФ8纵波直探头,能发现激光立体成形TC4钛合金中0.6 mm大小的孔洞类缺陷;超声表面波沿深度方向发现TC4钛合金激光立体成形件中槽型和孔型缺陷的能力均小于4 mm,且孔型缺陷比槽型缺陷更难发现。     

基于激光超声的管道缺陷定量表征方法研究

为利用激光超声技术实现管道缺陷的定量表征,应用有限元方法分析被激光辐照金属管道表面产生的超声波与管道缺陷相互作用的过程。通过传播图像探究超声波在传递过程中的模式转换,在远场激发的方式下,分别探讨不同高度、宽度以及角度的缺陷对激光超声波的影响,结合接收点的位移信号分析超声波与缺陷作用的复杂过程,并应用惠更斯原理分析其产生的原因,最后提出一种管道缺陷定量表征的方法。通过试验研究对理论结论进行验证。试验研究和理论结论表明,缺陷位置可通过表面波遇到缺陷后产生反射回波信号的接收时间定量表征,缺陷深度可通过缺陷底部产生反射表面波信号的接收时间定量表征,缺陷角度可通过缺陷底部表面波转化纵波信号的接收时间定量表征,为逆向推算缺陷的尺寸奠定了理论基础。     

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。     

基于激光超声表面波的模具微裂纹无损检测的研究

在现代工业的生产中,模具质地的好坏直接关系到所生产的产品质量.为了获取模具质地的信息,将声表面波与激光超声检测技术相结合,利用声表面波在介质深度不同的表面层传播时,振幅随深度的增加迅速衰减,提出了一种新的模具无损检测方法.由于激光源可以聚焦成点光源(或线光源),使得所获得的波形能够对小和薄的模具进行有效的检测,可以扩展至传统的检测方法的检测盲区内.通过实验分析知,其对材料性能表征和对材料表面和亚表面微小缺陷高度敏感,非常适用于微缺陷的无损检测.     

圆杆在激光冲击作用下动态响应的数值模拟

利用ABAQUS模拟2024铝制圆杆经激光冲击后的动态响应,研究了激光诱导的应力波沿纵向和横向的衰减特性,讨论了杆径对应力波峰值随传播距离衰减的影响,对比分析了杆径对残余应力场的影响。结果表明:强激光诱导的应力波峰值在圆杆中沿纵向和横向均随传播距离的增大而逐渐减小,同时波形出现"弥散"现象。应力波峰值的衰减速度呈先快后慢的趋势。随着杆径增大,圆杆内部的残余应力场逐渐趋于均匀,残余压应力层深度增大并趋于饱和。     

基于阈值频率的激光超声缺陷检测

针对激光超声技术难以定量分析、检测金属样品缺陷的问题,根据不同缺陷深度处反射与透射表面波的频率交叉现象,提出了阈值频率,研究了表面缺陷深度与其对应波长的关系。通过小波分解和频谱分析,探讨和分析了反射波和透射波在频谱能量图中的波形分布特征。结果表明:由阈值频率计算的波长与缺陷深度之间的关系(即λ=4 h)与理论数据分析结果吻合良好;并随着缺陷深度的增加,波长也随之表现出线性增加的特性。由此可见,该分析方法达到了预期的效果,为表面缺陷深度的进一步定量表征提供了参考方向。     

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。     

圆管中激光激发表面瑞利波极性的有限元分析

用有限元方法数值模拟了脉冲线源激光作用于厚铝管时产生的温升以及由此温升而产生的表面声波的情况,得到了逆时针向探测点和波源之间角度从=5°到=180°范围内一系列表面法向位移的时域波形,并对相同厚度不同外径的铝管的表面波进行对比。数值结果表明表面声波中显著的波为掠面纵波、头波和瑞利波,第一个瑞利波脉冲的极性在传播过程中发生了倒转现象,逆时针向看探测点离波源的角度,当较小时瑞利波脉冲是单极性的(负的),随着角度的增大,瑞利波脉冲逐渐变为双极性的,且双极性中正向极性逐渐增大,到=90°时变为完全双极性(正向和负向对称)。随着角度的进一步增加,双极性中负向极性逐渐减小,到=180°时瑞利波脉冲又变为单极性(正的)。不考虑衍射效应时,圆管中第一个瑞利波脉冲的极性和试样的尺寸无关,仅和探测点离波源的角度相关。