激光热弹激发超声导波的有限元模拟

【摘要】： 本文采用有限元法建立了激光点源和环源在铝材料表面热弹激发超声导波的物理模型,通过对激光与材料相互作用产生的温度场和应力场的分析,研究了脉冲激光作用于铝板和铝管表面激发超声导波的物理过程。 基于平面应变的弹性理论,将激光点源和环源的热弹激发超声的物理过程极化在两维平面内进行分析,建立了点源和环状激光源作用于铝材料中的有限元模型,数值模拟了激光脉冲作用于铝材料表面时产生的瞬态温度场,得到了材料内部温度随时间变化的曲线和不同时刻温度沿径向、轴向的变化曲线。进一步分析了温度梯度的形成及随时间、沿径向的变化规律。 针对激光超声技术中如何提高超声信号强度的问题,建立环状阵列激光源作用在铝板材料中激发超声波的理论模型,采用有限元方法对其进行数值模拟。通过调节环状激发源的个数及间距,优化加载模型,得到了超声信号强度和信噪比均较高的加载模型结构。并利用FFT变换提取出超声信号的频率,计算出超声兰姆波波包的群速度。结果表明,该加载模型下激发的超声模式为能量高、频散小、且在整个板内部均有一定振动能量的A0模式兰姆波。 本文的研究结果可以为激光超声理论和数值模拟研究,以及激光超声无损检测中激发光源的选择和模式优化提供理论依据。