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复合材料中激光超声的数值模拟

陈刚  
【摘要】:本文采用有限元法数值模拟了单脉冲激光热弹激发复合材料中的超声波。在忽略材料的热物理参数对温度依赖特性的情况下,建立了以激光束作为局部热输入源的热应力分析有限元模型,模拟了复合材料内部的瞬态温度场以及由温度梯度而引起的瞬态应力场,该应力场以超声兰姆波的形式在复合材料中传播。复合材料中激光超声的数值模拟研究,对于应用激光超声技术进行材料的无损检测具有重要的学术意义。 本文分别模拟了复合材料在有缺陷以及无缺陷两种情况下热弹激发的超声波。通过对无缺陷双层材料的模拟,得到了材料上下表面应力场的分布和铝板中兰姆波的模态。通过对有缺陷复合材料的模拟,分析计算出兰姆波波包群速度,并利用缺陷产生的回波计算出缺陷的位置。结果表明,点状激光脉冲在复合材料中激发出了多种模态的兰姆波;通过对材料中热弹激发的兰姆波分析,可以有效地计算出复合材料内部缺陷以及边界的位置。 本文主要研究内容如下: 1.无缺陷双层材料的有限元模拟。对材料的模拟结果进行了分析,计算出波包群速度,并根据频散曲线判断出了铝板中的兰姆波的模态,得到了以铜板作为基底的双层材料中兰姆波的特征。 2.有缺陷双层材料的有限元模拟。在无缺陷双层材料模型的基础上加入缺陷进行模拟,缺陷位于下层铜板中。通过模拟结果与无缺陷情况的对比,得出了在双层材料中的内部缺陷对于铝板表面兰姆波波形的影响,并且通过对回波的分析计算确定了缺陷的位置。同时通过对缺陷处兰姆波的频率进行分析,得出了声波衍射会使缺陷处的频率分布与其它位置不同的结论。 3.有缺陷三层材料的有限元模拟。在中间层加入缺陷,改用轴对称模型并加大模型尺寸,通过对铝板表面兰姆波的分析确定缺陷以及边界位置。


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