【《激光超声理论基础及有限元方法综述》3500字】

激光超声理论基础及有限元方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u2172激光超声理论基础及有限元方法综述 1173141.1引言 125751.2激光超声技术理论基础 1175641.3有限元模型的建立 3192411.3.1有限元方法的理论研究 3137821.3.2有限元模型的建立 4引言激光作用于金属制件后产生超声波，产生波的过程较为复杂，这其中会涉及到激光与不同物质之间的相互作用机制，在实验中给予激光不同的激发条件，激光也会有与之匹配的激发机制，而本文要研究的也是受到最广泛关注的热膨胀理论，热膨胀理论包括热弹机制与融蚀机制，由于利用热弹机制所激发的超声波对材料表面的损伤微乎其微，且能产生多种波形信号，在实验室和工业生产应用中的适用性强，得到了广泛的关注和应用。与此同时，对于激光激发的超声波的理论研究，目前主流的有解析法与数值法，其中解析法根据材料几何模型进行计算，由于材料模型常常不规则且包含各种缺陷与棱角，这就导致解析模型变得极为复杂且难以计算，然而数值法是对一个模型的连续体离散，对单元进行积分运算，可使复杂问题简单化，因此在进行激光激发超声波的实验中常使用数值法。这其中数值法也有细分，可分为边界元法和有限元法，边界元法正如其名只对材料的边界即表面离散计算，在研究复杂金属材料的时候局限性太强，然而有限元法尽管需考虑空间与时间两个维度的离散计算，但由于其可对整个材料进行离散，使得在分析激光激发激励超声波、超声波在不同材料中传播以及研究超声波作用于金属缺陷机制问题上很有帮助。激光超声技术理论基础入射激光作用于金属制件并且激励产生各种模式波是一个很复杂的物理场耦合的过程，高能量入射激光打在金属制件表层时，有部分光能在金属材料的最表层被吸收转化变成热能储存于金属制件里面，金属制件吸收热能温度发生变化，由于材料的热膨胀效应，金属制件产生弹性应力波，也就是激光激发的超声波。因此我们可以定论说激光作用与金属制件表面产生超声波的过程是多个物理场的耦合作用。根据不同的激发条件，我们又将激光超声激发机制分为热膨胀理论、电致伸缩理论、气化膨胀理论和光击穿介质破损理论等。而在这些理论的研究中，热膨胀理论的研究相比较其他理论较为成熟且数学模型研究透彻。综上所述，本文利用热膨胀理论对激光激发超声波的过程以及金属缺陷检测做研究。一般来说，激光激发超声波的时候有如下过程：激光器发射激光照射在金属制件的表面，金属制件接触到高能量的激光的时候，表面吸收能量使得表层温度升高，形成热膨胀，从而使得材料表面体积发生膨胀，在材料表面形成热应力分布，热应力以瞬态脉冲的形式传播，这种瞬态脉冲就是我们说的超声波[17]，如下图2-1所示。超声波在金属之间的表面或者内部以声波的形式传播，遇到不同媒介的时候会发生折射、反射、透射和散射等，这时候返回的超声波信号便携带了金属制件的表面和内部缺陷状况，分析其超声波信号便可得到所需要的信息。图2STYLEREF4\s1激光超声产生机理入射激光能量密度会使激光作用于金属时有不同的作用机制，根据热膨胀理论可分为热弹机制和融蚀机制。如图2-2所示，烧蚀机制拥有高激发效率，可以接收很大的信号波形能量但是由于激光的入射功率密度过高，远高于材料表面损伤阈值,这时材料会发生剧烈形变，导致金属融化甚至汽化，激发的次数增加会使得工件的损伤加剧，这种机制很明显不符合无损检测的要求。图22基于热膨胀理论的激光激发超声波示意图相较于融蚀机制，热弹机制的入射激光功率低，未达到材料表面损失阈值，不会发生如融蚀机制中激光照射材料表面时发生的熔化等剧烈形变现象，激光器照射金属制件产生的超声波其中有一部分会在金属制件表面就发生反射，另一部分进入金属制件内部，被金属制件所吸收，使得金属制件的局部产生温升，材料发生热弹性膨胀产生应力。热膨胀产生的表面切向应力，可在激发的过程中产生不同模式的波（其中有横波、纵波和表面波等）。利用热弹效应产生的激光波，并不对材料的外形以及表面造成任何损伤，可以达到无损检测的最基本要求。有限元模型的建立有限元方法的理论研究激光超声波是多种物理场耦合的产物，这其中也涉及到了许多工程问题，学术界从多方位展开研究，并且取得了卓越的成果。总的来说，学术界普遍利用数值法和解析法来对激光超声进行理论研究。解析法由于其复杂的计算以及适用局限性并不得到广泛的关注，然而数值法从中脱颖而出，成为研究激光激发超声波的主要工具，而数值法也被细分成边界元法和有限元法，边界元法支队边界离散计算具有很强的局限性。数值法中的有限元法是近几年才被广泛关注的激光超声数值模拟技术，虽然要对时间和空间两个维度离散，但其独特的能对复杂几何的金属构件进行声场模拟，也可对金属构件选取的某点的振幅大小给出精确的计算。综上所述，本文对于激光激发超声波的研究都是基于有限元方法开展的。在时域模拟中，空间步长和时间步长会影响数值系统的稳定，且对波模式的空间采样有影响。对于时间步长，它是使得时间分辨率和数值方法稳定的必要条件。若取时间步长过短，有限元方法就会失去稳定性；若取时间步长过长就会使计算机耗费大量时间来计算。至于波模式的空间采样，主要参数就是二维模型网格的大小。当然时间步长也对二维模型网格大小有影响。在时域模拟方法中，通常空间网格大小和时间步长有如下的关系：∆x=cmin20fmax ∆t=1cmax×(1∆x2+式中，fmax是激发信号的最大频率，cmax是模式中的最高群速度，cmin是最低相速度。时间步长∆t有限元模型的建立国内金属制件的生产制造与加工技术日益精进，一个车间的制造能力好与不好，有很大一部分是与金属制件的残次检测能力有关，这时候金属无损检测技术就显得至关重要。而车间制造时金属的缺陷分为内部缺陷与外部缺陷，本文接下来以长4cm、宽2cm的金属块为例研究激光激发超声波、超声波与金属块作用以及产生的信号分析等。金属制件在软件Abaqus中的模型草图如图2-3（单位：米）图2-3钢块平面尺寸解析图金属材料以当今最为重要的战略资源钢材为例，其中钢材的杨氏模量为210GPa，泊松比为0.29，密度为7840kg∙m−3,热膨胀系数为1.18在时间和空间上，激光能量近似于高斯分布函数分布。激光能量在空间和时间上的分布可以用g(t)和f(x,y)表示：gt=fx,y=2RG上式中t0为激光器的上升时间，(xG,yG)是激光器射出激光的中心坐标，R图2-4点源和线源激的空间高斯等效当高能量的激光照射在金属构件的表面上形成的热流能量可以用表示为：q=E0Af(x,y)g(t) 上式中，t0为激光器的上升时间，A为金属构件表面的吸收率，q为金属构件表面吸收的总能量。由热膨胀理论可知，激光器射出高能量激光照射在金属构件的表面，被金属表面吸收导致局部温度升高，在金属构件内部形成温度梯度，即为非均匀的温度场。本文在初始研究时，使用的点源和线源即激光光束的脉冲宽度为10ns,点源的光斑直径为1mm,线源在三维空间里面可在x轴方向延伸，也可在y轴方向上延伸，本文由于研究的是在二维空间上，激光激发的超声波作用于金属构件上的情况，在Abaqus上建模时选择的是x−y平面，因此选择的线源在x轴上延伸。实验所采用的点源和线源激光均是呈高斯分布,利用公式（2-3）与公式（2-4）为保证激光超声波数值模型的稳定，根据公式（2-2）可知，设置时间步长为2ns，总时间长度为60μs，空间网格的大小会影响超声波作用于金属构件时的计算时间，网格太大会使得波模式的空间采样发生改变，数值频散增加，因此我们需要对网格进行合理的划分。经过实验平台的仿真实验可知，网格的空间划分会直接导致实验数据的准确性，网格尺寸过大的情况下，会使得检测到的超声波位移图像里面的各种模态的超声波难以区分，会使得后面的无损检测时得到的携带金属构件信息的超声波信号变得难以辨别，增大任务难度。图2-5时间高斯等效为确保网格大小的合理性，如下图2-6所示网格由大到小变化，直到接收到的超声波的振动信号刚好不再发生变化，这时我们可以认为最终设置的网格尺寸为最佳大小。为使得检测结果更加有效，可以在激光照射的区域和声波的传播以及接收