激光超声检测圆柱体表面裂纹的数值研究

1、激光超声检测4柱体表89纹的数值研究摘要:激光激发的超声波在圆柱体表面的传播表现出较平板表面更为复杂的特性，为了研究激光超声在圆柱体上沿轴 向的传播规律及表面波声场和圆柱表面裂纹相互作用过程，分别建立了带有不同圆柱半径和带有不同裂纹深度的圆柱体 模型，数值模拟了激光超声在圆柱体中传播过程及与表面裂纹的相互作用过程，分析了激光激发的Rayleigh波在圆柱体中 的轴向传播过程和与裂纹的作用过程,得到了圆柱半径和缺陷深度对表面波传播的影响关系。数值结果表明：随着圆柱半 径的增大,Rayleigh波色散程度减弱，Rayleigh波群速度逐渐减小；剪切Rayleigh波与反射Rayleigh波到达时间

2、差与裂纹深 度成线性关系。数值结果为圆柱体表面裂纹的激光超声检测提供了有价值的参考。关键词：激光超声;Rayle igh波；圆柱体;裂纹检测Numerical Study on Surface Crack of Cylinder by Laser Ultrasonic DetectionAbstract： The propagation of laser-induced ultrasound on metal cylinder surface is more complicated than that on flat surface. In order to study the propaga

3、tion law of laser-induced ultrasound on metal cylinder and the interaction process between surface acoustic field and surface crack of metal cylinder from the axial direction, the metal cylinder models with different radius and depth of crack are established respectively, and the laser supersonic is

4、 simulated numerically. The propagation process of sound in metal cylinder and the interaction process with surface crack are analyzed. The axial propagation process of Rayleigh wave in metal cylinder and the interaction process with crack are analyzed. The influence of cylinder radius and defect de

5、pth on surface wave propagation is obtained. The numerical results show that: the dispersion degree of Rayleigh wave decreases and the velocity of Rayleigh wave increases with the increase of cylindrical radius; the arrival time difference between shear Rayleigh wave and reflected Rayleigh wave is l

6、inear with the depth of crack. The numerical results provide valuable references for laser ultrasonic detection of surface cracks on metal cylinders.Keywords： laser ultrasonic; Rayleigh wave; cylinder; crack detection0引言激光超声作为近年来兴起的集光、声、热、）等多个 学科交叉的超声无损检测技术，因其具有非接触、无需耦 合剂、易扫描、可实现远距离激发及接受等诸多优点，成 为一种新

7、型的无损检测技术。对于工业中常见结构圆柱 体，激光超声在此类零件表面裂纹检测中展现出广泛的 应用前景，受到越来越多的重视和研究7。目前，对于圆柱体的激光超声无损检测技术研究工 作主要集中在圆周面，即使用线源激光作用在圆柱体母 线上，并假设圆柱体各向同性、无限长，将三维问题转化 为二维圆周面问题。如胡文祥等9得出了圆柱Rayleigh波 在传播距离较小时，与平界面Rayleigh波相似，随传播距 离的增加，由于频散加剧，Rayleigh波形状、相位逐渐发生 变化。赵艳等通过相谱分析法得到了柱面瑞利波的色 散曲线。上述的工作都是在圆周上对Rayleigh波的色散现 象进行了深度研究，但是没有涉及到

8、Rayleigh波沿轴向的 传播特性研究，因此亟待认清激光超声沿圆柱体轴向上 的传播规律。本文针对圆柱体进行研究，首先通过有限元模拟激 光产生超声的现象，然后研究圆柱半径大小对Rayleigh波 传播的影响，最后研究剪切Rayleigh波与反射Rayleigh波 到达时间差与裂纹深度的关系。1理论模型和算法图1为圆柱体沿母线半剖面图，模型中将实际的表面疲 劳裂纹简化为了人工凹槽，数值计算中，圆柱体材料为铝， 取圆柱体的总长度！为20 mm,半径分别为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm，裂线源接收点纹距离激光束激光（$顶）A 司作用中心为T #. T人工凹槽10 mm，信号接#收点距离缺陷左

9、边沿#2的值分别为4 mm、2mm，对应点简图1模型图J称为$、。模型如图1所示。式中：为比热容矩阵;&为热传导矩阵;$为热通量矢量。$= gdS。式中：S为有限元单元的面积;！!为形函数的转置；g为热 通量,本文采用脉冲激光线源作用，可表示为： q(r,z,t)=IA_f(z)g(t)；22/%)=exp(-% /+o);(4)g(t)=t/toexp(-t/to)。(5)式中:A为材料对激光的吸收系数;/为激光峰值功率密 度弗)为脉冲激光空间分布;g(t)为脉冲激光的时间分布。 在有限元模型中，热弹耦合的有限元形式为的声表面波时域波形。通过比较声表面波时域波形发现: 存在表面裂纹的时域波形

10、比无表面裂纹的时域波形多出 两个明显的波峰(RR波峰和RS波峰)o RR波传播距离比 RS波传播距离小，理论上RR波峰值应该比RS波峰幅值 大,这里由于Rayleigh波色散,RS波峰和RR波的部分波重 叠在一起,导致了 RS波峰幅值比RR波峰幅值大。+$#-%=0。dt2式中：为位移矢量;为质量矩阵;$为单元刚度矩阵;% 为外力矢量。为了精确求解，在利用有限元方法计算试件内部瞬 态温度场的分布和超声波的传播过程中，单元网格的大 小会直接影响计算的效率和收敛性。为满足超声波的传 播精度要求，网格大小应小于声波中心波长的1/4。脉冲 激光激发出的波的中心频率可估算为：扁)=Cr/(!#o)， -

11、R为表面波速度;r0为激光点源的光斑半径，此时对应的 表面波波长为：！478=!#。/ 2，计算得到中心波长约为 660 m。由此可见，使用100 m的网格尺寸可以满足声 波的传播精度要求。2数值模拟结果与讨论2.1圆柱体半径对Rayleigh波的影响为研究圆柱体半径大小对激光激发出的Rayleigh波 的影响，取不同半径的圆柱体模型进行数值模拟(其中裂 纹深度1=为0 m)。图2是+分别为2 mm、6 mm、10 mm，接 收点2的时域信号图。比较图2中声表面波波形图可以发现：沿轴传播的 Rayleigh波存在一定程度的色散，不同半径模型的色散程6 4 2 o-2粢建涅些时间/图3 0裂纹或

12、300 !$裂纹的声表面波时域图将上述时域信号进行快速傅里叶变换，得到对应频 域信号，如图4所示。通过比较两个声表面波频域波形发 现:存在裂纹的声表面波频谱幅度有明显增强。这是由于 裂纹的存在，声表面波在裂纹位置部分发生反射，这使得 接收到的声表面波的能量变大，频谱幅度变大。5 5-55 5-54 O-+=2 mm。频率/MHz带有0 !$裂纹或300 !$裂纹的声表面波频域图1512345+=6 mm:-414时间/图2 不同半径圆柱体在接收点&的时域图12345度是不同的。圆柱体半径越大，色散程度越弱，色散是由 于模型周向弯曲引起的。2.2 利用Rayleigh波信号分析裂纹深度2.2.1 裂纹对Rayleigh波的影响图3给出了接收点2处的无裂纹和存在300 m裂纹2.2.2 RR与RS波到达时间差与裂纹深度的关系图5中给出了接收点2的RS波与RR波到达的时间差3 2 00 呈删回七H0-100200300400500裂纹深度1=/ m图5 RS波与RR波的和的关系&与裂纹深度奴的关系。可以看到，&与农呈现出线性关 系。这为定量测量圆柱体的表面裂纹深度提供了参考。 3结论为研究激光超声在圆柱体上的传播规律及表面波声 场和圆柱体表面裂纹相互作用过程，本文建立了圆柱体 表面