基于激光超声检测金属材料表面缺陷的数值模拟

【摘要】：采用解析法和有限元两种方法研究脉冲激光存不同性质的金属材料中热弹激发超声波的产生和传播特征。建立有限元数值模型,分别对不同性质固体材料中的激光超声体力源的时空特征和超声波产生机理、传播特征之间定量关系进行了深入研究；并基于该模型数值模拟研究了线光源激光声表面波与表面缺陷的相互作用机理,进而提出了表面缺陷的位置、形状及取向的检测方法。 基于激光热弹性激发超声波的热弹性理论,采用积分变换法解析求解热弹性耦合方程,分析研究了脉冲激光线源辐照各向同性固体介质形成的温度场以及在不同结构中激发的声表面波及Lamb波的波形特征,并根据特征方程,获得了Lamb波的色散特征。 在同时考虑脉冲激光的时间分布和空间分布、材料的热传导效应和激光在材料中的光穿透效应,分别研究了金属材料和非金属材料中激光热弹超声力源特征和超声波的产生和传播过程,得到了金属和非金属材料中激光超声表面波的特征。结合对心波形,得到了不同力源模型下的应力场和对应超声波波形间的定量关系。 利用有限元方法对脉冲激光线源作用于缺陷附近时产生的温度场和声场进行了模拟研究,分析了缺陷的存在对温度场和声场的影响,讨论了不同缺陷深度及不同的缺陷取向时超声波场分布的变化,并对近场激光超声波产生的表面波峰—峰值增大的现象提出了物理解释。随着缺陷深度的变化,超声波场的分布整体上呈现反射声场能量增大,透射声场能量减小的特点；在激光源同侧接收到的表面波信号是由直达波和反射波组成,反射波是从缺陷上端反射的,到达时间与幅度都不随缺陷深度变化；在缺陷底端反射时发生波的模态转化,相应波的到达时间随着缺陷深度的增大而延后的特征,在此基础上提出了利用激光超声表面波检测表面缺陷的位置、大小及取向的检测方法。 本文的研究结果将对金属材料表面缺陷的激光超声无损检测提供理论和实验依据,也有助于激光超声无损检测技术进一步发展和应用。