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环形楔上楔波频散特性研究

梁祎  
【摘要】:本文主要从理论和实验两方面对环形楔体结构上激光激发的ASF模式楔波的传播特性进行了研究,进而研究楔顶角、曲率半径对楔波传播特性的影响。 理论分析上,本文利用有限元方法建立了激光辐照于环形楔体楔尖上激发楔波的理论模型。利用二维傅里叶变换方法对时域波形作时频分析得到了楔波的频散曲线图,图中可以看出楔波的模态数随楔顶角的增加而减少。接下来通过构建有限元模型对直楔上传播的楔波进行了研究。在楔顶角相同的情况下,对比了直楔和环形楔的频散曲线图,发现:在直楔上传播的楔波没有发生色散,其模态个数与相速度值与Lagasse经验公式的理论预测值相吻合;环形楔低阶模态的色散明显,环形楔的弯曲结构导致楔波相速度的色散。在同一楔角下通过改变曲率半径来分析曲率半径对色散的影响,可以发现:对于小角度的环形楔体,低阶模态下曲率半径越小,相速度值越大,色散幅度越大;对于大角度的环形楔体,改变曲率半径不会影响相速度的色散幅度。 实验方面,在归纳分析适合研究ASF模式楔形波的检测技术之后,本文搭建了基于光学干涉法的实验装置对楔波的频散特性展开研究。通过在楔尖表面进行步进扫描可以得到距离激发点不同位置的ASF模式楔形波的时间-位移图和表面扫描图,能够直观地区分出各模态;通过二维傅里叶变换,可以将时域信号转换成对应的频域信号,得到楔波的频散曲线图。由于样品楔尖是非理想的,必然会存在截断,所以实验中各模态的色散幅度明显大于数值模拟得到的结果。对于小角度的环形楔体,在保证上项截面和楔角相同的情况下,研究发现:相同模态下曲率半径越小,色散越明显,色散幅度越大;低阶模态的色散幅度明显高于高阶模态;当曲率半径较大时,高阶模态下的相速度值与理论值基本吻合。对于大角度的环形楔体,改变曲率半径不会影响相速度的色散幅度。实验上得到的结论与数值模拟的结论一致。 本论文的研究成果可以为ASF模式楔形波在圆柱形楔状工程构件的无损检测和理论研究等方面提供参考。


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