粗糙表面接触状态的激光超声检测技术研究

【摘要】：结合面是具有特定表面形貌和跨尺度特征的粗糙表面,受力后会发生复杂的微小变形,其接触行为对零件的摩擦磨损、导电导热以及润滑性能有着重要的影响。由于结合面接触区域贴合紧密,传统的接触式测量手段无法测量其接触状态,需要探究新的测量方法。本文研究基于激光声表面波的结合面接触状态测量方法,设计接触状态检测系统,重点研究结合面表面载荷、名义接触面积、表面粗糙度与结合面声表面波信号之间的关系。论文首先论述激光超声理论,分析热弹机制与融蚀机制下激光超声解析模型的区别,研究声表面波的传播特性。然后,通过实验研究激光束脉冲能量、光斑形状和尺寸对声表面波信号的影响,优化激光束参数。建立激光辐照铝材料的有限元模型,通过热弹耦合仿真与结构动力学仿真,获得材料内部温度场、应力场、位移场的变化云图,验证激光超声作用的理论模型。通过实验探究不同材料对激光能量的吸收率的区别以及声表面波传播过程中的衰减特性。建立基于分形理论的简化二维粗糙表面模型,通过仿真研究接触趋近过程中表面微凸体的接触行为,结合仿真结果,提出结合面声表面波通过率受真实接触面积影响的理论。最后,搭建结合面接触状态的激光超声检测系统,设计正交实验与单因素实验,探究表面载荷、名义接触面积、表面粗糙度对声表面波信号的影响趋势,以实验数据为基础拟合得到经验公式,对结合面声表面波传播理论进行验证。实验结果表明:结合面声表面波通过率与真实接触面积有关,真实接触面积越大,通过的声表面波信号越强;其中真实接触面积又与表面载荷、名义接触面积呈正相关,与表面粗糙度呈负相关。本文的研究结果可以对激光超声理论和数值模拟研究、粗糙结合面接触状态研究以及激光无损检测提供理论和实验依据。