的數(shù)值模擬激光超聲檢測蜂窩材料內(nèi)部缺陷

1、 畢業(yè)設計說明書(論文)作作 者者: 學學 號：號： 學院學院(系系):理學院專專 業(yè)業(yè):光信息科學與技術題題 目目:激光超聲檢測蜂窩材料內(nèi)部缺陷的數(shù)值模擬指導者：指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者：評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2012 年 6 月 畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）中中文文摘摘要要激光超聲無損檢測技術是材料無損檢測的一種重要手段，是目前人們所關注的一種重要的檢測方法。傳統(tǒng)的無損檢測方法具有一定的局限性，在一些惡劣的檢測環(huán)境中或被檢測物具有放射性時，已不能滿足要求。在蜂窩材料制造和使用過程中，蜂窩材料不可避免的會產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。為了增加材料的使用壽命以

2、及提高安全系數(shù)，我們應當能夠隨時知道材料的結(jié)構(gòu)特征及應力的變化。本文中介紹了檢測蜂窩材料內(nèi)部缺陷的一些方法，并闡述了激光超聲檢測技術相比于其他檢測技術的優(yōu)勢。采用有限元方法，構(gòu)建蜂材料模型進行了激光超聲檢測蜂窩材料內(nèi)部缺陷的數(shù)值模擬，通過溫度場和時域波形的分析，對激光超聲在材料中傳播過程進行了理論研究關鍵詞 蜂窩材料 激光超聲 有限元方法畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）外外文文摘摘要要TitleTitle Numerical simulation of the laser ultrasonic testing of honeycomb material internal defects

3、 AbstractAbstractThe laser supersonic none destructive method the examination technology is the material none destructive method the examination one important method, is one important examination method which the present people pays attention. The tradition none destructive method the examination me

4、thod to have the certain limitation, in certain bad examination environment or was measured the detected objects radioactive, has not been able completely to answer the purpose. In the process of manufacture and use of honeycomb material, the honeycomb material produce detect is inevitable. In order

5、 to increase the service life of materials and to improve safely factor, we should be able to know the structural characteristics of the material and the stress change at any time. In this article some of the methods of the detection of honeycomb material internal defects is described, and described

6、 the laser ultrasonic testing technology advantages, compared to other detection technique. By use Finite element method to build honeycomb material models for numerical simulation of laser ultrasonic testing of honeycomb material defects within. Then by analysis the temperature field and time-domai

7、n waveform of laser ultrasound to carried out theoretical studies of the ultrasound propagation in the material. 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 6 頁 共 18 頁Keywords honeycomb material laser ultrasonic Finite element method 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 頁 共 頁目 錄1 引言.11.1 蜂窩材料的應用及缺陷檢測 .11.2 檢測復合材料內(nèi)部缺陷的意義 .21.3

8、本文主要的研究工作 .32 激光超聲無損檢測技術.42.1激光超聲概述.42.2 激光超聲數(shù)值模擬發(fā)展 .42.3 激光超聲檢測技術 .63 激光超聲檢測蜂窩材料的有限元模擬.73.1 網(wǎng)格劃分和時間步長的選取 .73.2激光作用的力函數(shù).93.3激光輻照蜂窩材料的模型構(gòu)建.93.4激光輻照蜂窩材料的數(shù)值模擬結(jié)果及討論.10總 結(jié).15致 謝.16參 考 文 獻.17 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 1 頁 共 18 頁1 1 引言引言1.11.1 蜂窩材料的應用及缺陷檢測蜂窩材料的應用及缺陷檢測日月如梭，科學技術也隨著時光的流逝而不斷地進步創(chuàng)新。復合材料和納米材料是目前

9、國際上兩類極受人們關注的、在工業(yè)上具有很大應用潛力和正在迅速發(fā)展的新型機構(gòu)材料。先進復合材料（ACM）具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好、膨脹系數(shù)低以及破損安全性好等一系列優(yōu)點，能夠滿足航天技術輕量化、長壽命和高可靠的特殊要求，也已經(jīng)成為航天技術領域不可缺少的重要結(jié)構(gòu)材料。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是復合材料的一種特殊類型。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的主要特點是上、下板的材料厚度一般情況下均相同，而且比蜂窩芯子高度小的多，面板材料的強度和剛度一般均較高1.蜂窩材料主要由蒙皮、蜂窩芯和粘接劑組成。蒙皮一般由玻璃布、膠合板、纖維板、薄鋁板、鋁合金板或鋼板組成。蜂窩芯一般由紙、玻璃布、鋁合金或芳綸紙等組成，其網(wǎng)格形式有正六邊

10、形、菱形或正方向等。雖然蜂窩材料如今在多個領域得到大量的應用，但是其在制作和使用的過程中容易形成缺陷，而這些缺陷的存在嚴重制約了蜂窩材料的應用。因此，我們對蜂窩材料的缺陷的檢測勢在必行。蜂窩材料的常用檢測方法有 X 射線法2、紅外熱成像法3聲阻法4和 CT 技術5等。X 射線法檢測直觀可靠，但是設備龐大，價格高昂，且 X 射線對人體有傷害。紅外熱成像法具有非接觸、實時、高效的特點，借助于物體的熱輻射得到物體的熱圖來判別是否存在缺陷，但是受周圍的溫度影響較大。聲阻法檢測構(gòu)件愛你沖擊損傷時，具有一定的局限性。CT 技術效率低，成本高，雙側(cè)透射成像，不適合于平面薄板構(gòu)建的檢測以及大型構(gòu)件的的現(xiàn)場檢測

11、。而超聲具有波長短和方向性強的特點，與障礙物能產(chǎn)生衍射，散射，長久以來一直是無損檢測材料內(nèi)部缺陷，力學性質(zhì)及為結(jié)構(gòu)的長盛不衰的方法6.普通超聲波方法7可以檢測出檢測出氣孔、托粘、夾雜等大部分缺陷，但是常規(guī)的超聲波法效率太低.而與傳統(tǒng)的超聲檢測方法相比，激光超聲檢測8具有如下的優(yōu)點：（1）由于激光超聲不需要任何耦合劑，因此，耦合劑的易變性和耦合的可靠性及匹配性問題也不存在，對檢測現(xiàn)場和被檢測物的溫度限制也隨之取消。激光超聲的脈沖寬度很窄，可達 1ns，這一數(shù)量級脈沖寬度的頻率可達幾千兆赫，而相應的 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 2 頁 共 18 頁波長只有幾微米，大大提高了

12、檢測微小缺陷的能了。以及可以避免由于耦合劑的使用對材料產(chǎn)生的各種污染；（2）激光束的優(yōu)秀品質(zhì)使得被測超聲波場可以不受任何干擾，或者干擾很小，具有極強的抗干擾能力；（3）常規(guī)的超聲檢測中，超聲脈沖是由和試樣直接耦合的壓電或壓磁換能器產(chǎn)生的。由于換能器自身的帶寬的限制以及換能器與試樣耦合等的影響，不可能產(chǎn)生很窄的單個超聲脈沖。激光超聲克服了壓電換能器超聲檢測的弊端，激光超聲能以非接觸方式對物體進行無損檢測，激光發(fā)射源到被測物體之間的距離可以達到10m，而且激光束的發(fā)散很小因而易于實現(xiàn)遠距離的遙控激發(fā)和接收，并能實現(xiàn)工件的在線檢測；（4）可以通過一玻璃窗口將激光束導入特定的空間，從而使其能方便地應用

13、于高溫高壓、高濕、有毒、酸堿等檢測環(huán)境或被測工件存在核輻射、強腐蝕性和化學反應的惡劣的環(huán)境；（5）可以在非壓電晶體中直接激發(fā)超聲；（6）利用鎖模激光器很容易獲得與激光脈沖寬度相近的超聲脈沖，從而使得基于超聲衍射方法的缺陷檢測技術獲得廣泛的應用成為現(xiàn)實；（7）探測激光束可被聚焦成非常小的點，因而即使是常用的激光系統(tǒng)，也能實現(xiàn)微米量級的空間分辨率。因此，采用激光超聲對蜂窩復合材料內(nèi)部缺陷進行檢測。1.21.2 檢測復合材料內(nèi)部缺陷的意義檢測復合材料內(nèi)部缺陷的意義 在先進復合材料制造過程中，由于難以對各種工藝參數(shù)進行精確控制，導致復合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量不穩(wěn)定，具有一定的隨機性，缺陷的存在也不可避免；另外在

14、使用過程中的靜載荷、機械損傷、疲勞、蠕變、過熱等原因也會引起復合材料中損傷的產(chǎn)生9，而損傷的產(chǎn)生、擴展以及積累將會加劇材料的環(huán)境與應力腐蝕，加速材料的老化，造成材料的濕熱性能大幅度下降，強度與剛度急劇損失，大大的降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，有時還可能會造成災難性的后果10.因此，在復合材料結(jié)構(gòu)使用前 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 3 頁 共 18 頁以及使用過程中，對其進行無損檢測(NDT)就顯得極為重要。其次，航天器發(fā)射與運行的高昂成本，要求航天器結(jié)構(gòu)的重量盡可能的輕，要減輕航天復合材料結(jié)構(gòu)的重量，降低制造成本，就必須采用損傷容限設計技術11，而對材料中各種缺陷與損傷進行準確

15、的無損檢測是實現(xiàn)損傷容限設計的基礎和前提。1.31.3 本文主要的研究工作本文主要的研究工作首先，通過查閱國內(nèi)外文獻，了解激光超聲在材料中的傳播性質(zhì)以及激光超聲無損檢測技術。運用有限元方法對脈沖激光輻射在材料上，材料的溫升和材料中激發(fā)超聲波進行計算。其中包含：采用專用的軟件，建立激光與材料相互作用的模型，選擇有限元單元、 ，網(wǎng)格的劃分，荷載的施加，對結(jié)果提取和分析，以及最后得出結(jié)論。首先介紹了激光超聲的產(chǎn)生機理及激光超聲無損檢測技術和和激光超聲數(shù)值模擬。然后構(gòu)建了單層鋁板，完好的鋁制蜂窩板及脫粘的鋁蜂窩板。通過溫度場的分析及時域波形的比較，分析出脫粘蜂窩板的波形與完好蜂窩板的波形，得出結(jié)論。

16、本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 4 頁 共 18 頁2 2 激光超聲無損檢測技術激光超聲無損檢測技術 2.12.1 激光超聲概述激光超聲概述 激光超聲檢測技術是一種利用激光脈沖激發(fā)超聲從而實現(xiàn)無損檢測的方法。1926 年兩位法國科學家分別證明了可以用脈沖激光束激發(fā)固體和液體產(chǎn)生聲波，隨后他們又觀察到強激光在固體和氣體中產(chǎn)生的燃燒波，都會隨著時間而衰減成聲波。激光超聲檢測的最主要的優(yōu)點是非接觸檢測，可用于各種惡劣環(huán)境、復雜外形的檢測，因此激光超聲檢測技術是一種極有應用前景的新的無損檢測技術。激光超聲技術可以實現(xiàn)對材料表面缺陷與亞表面缺陷的定位和檢測。如，Jian X 等人12

17、通過研究激光激發(fā)的 Rayleigh 波和鋁板表面凹痕相互作用的過程，分析透射 Rayleigh 波和凹痕深度之間的定量關系；Matsuda Y 等人13采用光折變多量子阱技術建立激光超聲檢測系統(tǒng)，在試驗中展開噪音環(huán)境下 Rayleigh 波檢測材料缺陷的研究；倪曉武等人14采用優(yōu)化的有限元模型，模擬脈沖激光激發(fā)近場聲表面波經(jīng)過表面缺陷后的Rayleigh 散射波場，研究反射與透射 Rayleigh 波和缺陷深度的關系。 激光超聲是即脈沖激光在介質(zhì)中所產(chǎn)生的超聲波或利用激光來產(chǎn)生超聲的物理過程。激光可以在固體中產(chǎn)生超聲，也可以在氣體和液體中產(chǎn)生超聲。激光在固體中激發(fā)超聲，起因于光波列與材料物質(zhì)

18、的相互作用。不同的激光功率密度對應著不同的物理機制，主要有熱彈機制和融蝕機制兩種。當入射光功率密度較低不足以使材料表面熔化時，材料內(nèi)超聲波脈沖主要是由于材料吸收光能發(fā)生熱彈性膨脹而產(chǎn)生，稱為熱彈機制15；當入射光功率密度較高時(107W/cm2)材料表面溫度急劇升高至材料的熔點，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，導致表面小部分材料被氣話，形成等離子體，稱為融蝕機制16。而隨著激光脈沖寬度的進一步壓縮（壓縮至 ps、甚至 fs 量級）及激光探測技術的發(fā)展，在脈寬為微秒級脈沖激光激發(fā)超聲機理的基礎上，也形成了一些新的超聲波產(chǎn)生方法，如熱應變激發(fā)、熱柵激發(fā)（簡稱 LIPS）以及非熱機制-反壓電效應激發(fā)等方法。2.22.

19、2 激光超聲數(shù)激光超聲數(shù)值模擬發(fā)展值模擬發(fā)展 在激光于熱彈機制作用下產(chǎn)生超聲波的理論研究中，熱彈方程的計算大都采用解析方法或者數(shù)值計算的方法，其中主要有本征函數(shù)展開法17-19、格林函數(shù)法20、 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 5 頁 共 18 頁雙積分變換法21,22。本征函數(shù)展開法相對適用于很薄的薄板中蘭姆波的分析，因為薄板中的蘭姆波可以只考慮低階的本征模態(tài)的作用，但當樣品的厚度增加時，只考慮低階模態(tài)的高頻成分就不夠了，還需要考慮高階模態(tài)，這就造成了計算的復雜。對于格林函數(shù)求解法，它利用點源模型，因而使激光作用的熱穿透效應被忽略，形成了表面熱源。目前利用積分變換可以得

20、到的解析解都是利用把激光束簡化的簡化模型所得到的。對于實際的高斯脈沖二維模型，利用時間坐標的 Laplace 變換和空間坐標的傅里葉變換或者 Hankel 變換的雙積分變換法計算熱傳導方程的變換解比較容易，但在一般的情況下，用解析方法無法得到時間空間坐標系中的解，因而要借助數(shù)值聯(lián)合的反 Laplace-Fourier 變換或數(shù)值聯(lián)合的反 Laplace-Hankel 變換，但這兩種變換很困難。另外，上述的解析方法無法考慮到材料的熱物理參數(shù)隨溫度變化的實際情況也無法定量的給出模型內(nèi)部任意一點的瞬態(tài)響應信號，因而需要更符合實際更快速的算法。有限元法在嚴密的數(shù)學理論基礎上建立。它借助于特殊的格林函數(shù)

21、，即所謂的基本解，將體積分轉(zhuǎn)化為面積分。它是一種求解偏微分方程的數(shù)值計算方法，能夠方便的處理復雜的幾何結(jié)構(gòu)，適應于各種物理問題，可以高效的用計算機實現(xiàn)，并且能夠得到全場的數(shù)值解。除了可以靈活的處理各向同性及各向異性材料等復雜的結(jié)構(gòu)中超聲波的傳播問題，有限元法還可以通過有限元模型處理物理參數(shù)隨著環(huán)境的變化的影響等。在激光和物質(zhì)相互作用激發(fā)超聲波的過程中，熱與位移具有瞬態(tài)的特征和相互耦合的特點。有限元通過虛功原理建立了熱彈耦合的微分方程，把微分方程等效積分形式在空間域中離散后進行求解。早在 1988 年，日本東京大學的 M. Kass 等23利用有限元法初步模擬了短脈沖激光作用于單層銅樣品的表面激

22、發(fā)出低于 100KHz 的頻率的超聲波信號，同時得到樣品中的溫度場分布，以及熱變形和熱應力的分布情況。1995 年美國的 Lee 和 Burger等24提出了激光蘭姆波的有限元數(shù)值模型，并且通過其討論了網(wǎng)格的大小對溫度場及應力場的影響，然后通過已經(jīng)有解析解的波形的低階模態(tài)，對低階模態(tài)的蘭姆波進行了數(shù)值計算。2004 年，沙特阿拉伯的 Khan 和 Yilbas25理論分析了掃描激光源在薄板樣品表面附近形成的溫度場，通過有限元方法計算了激光在薄板的近表面產(chǎn)生的應力場，并且研究了溫度場和應力場由于激光源的移動速度產(chǎn)生的影響。同時間，南京理工大學的許伯強、沈中華和倪曉武等26-30采用有限元方法模擬

23、了激光脈 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 6 頁 共 18 頁沖輻照在金屬材料的表面生成的瞬態(tài)溫度場，考慮了材料熱物理參數(shù)在激光作用過程中和作用結(jié)束后的溫度引起的物理效應，通過溫度場的熱耦合分析，成功地計算出了單層，雙層以及多層材料中脈沖激光作用于材料表面產(chǎn)生的超聲波，初步地建立了脈沖激光的輸入?yún)?shù)和作用全場的超聲波波形之間的定量關系，為激光超聲進行無損檢測和材料表征奠定了堅實的基礎。 本文的研究中，通過有限元方法來研究蜂窩材料的內(nèi)部缺陷，并進行了數(shù)值模擬。2.32.3 激光超聲檢測技術激光超聲檢測技術 激光超聲是樣品在激光脈沖的作用下產(chǎn)生的，它不僅與激光的時間特性和空間特

24、性有關，還與材料本身的光學、熱學、力學等特性有關。激光超聲源能同時激發(fā)縱波、橫波、表面波以及各種導波，而且他們在時間上具有沖擊函數(shù) d(t)或階躍函數(shù) H(t)很相似的特性，使得激光超聲技術成為研究復雜媒介中聲傳播理論的有效手段。 超聲波在樣品表面和內(nèi)部的傳播情況與樣品的性能和結(jié)構(gòu)有關。在遇到異質(zhì)界面時，激光超聲會產(chǎn)生透射、反射、折射和散射等現(xiàn)象。通過對探測到的激光超聲信號進行分析和處理，可以獲得樣品信息，這就是激光超聲技術的理論依據(jù)。 激光超聲檢測技術可分為傳感器檢測技術和光學檢測技術兩類，其中傳感器檢測技術用于為獲得較高的靈敏度一定要與試樣接觸或者和試樣表面很接近的情況。而光學檢測是一種新

25、型無損檢測技術，這種檢測方法具有非接觸，靈敏度高等特點。常用的超聲波光學非接觸檢測技術包括光學干涉消光外差法和速度型干涉法兩種；而光學法檢測技術可以分為非干涉檢測技術和干涉檢測技術兩種。其中非干涉檢測技術包含有：刀刃檢測技術、表面柵格衍射技術和反射率檢測技術等。干涉檢測技術包含有：光外差(或零拍)干涉儀技術、差分干涉儀技術及速度(或延時)干涉儀技術等幾類。 上述各例說明了在高溫高壓、核輻射等惡劣環(huán)境下，激光超聲均是材料缺陷檢測、工業(yè)上定位、在線監(jiān)測的極好手段。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 7 頁 共 18 頁3 3 激光超聲檢測蜂窩材料的有限元模擬激光超聲檢測蜂窩材料

26、的有限元模擬有限元法（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元法在嚴密的數(shù)學理論基礎上建立。它借助于特殊的格林函數(shù)，即所謂的基本解，將體積分轉(zhuǎn)化為面積分。它是一種求解偏微分方程的數(shù)值計

27、算方法，能夠方便的處理復雜的幾何結(jié)構(gòu)，適應于各種物理問題，可以高效的用計算機實現(xiàn)，并且能夠得到全場的數(shù)值解。除了可以靈活的處理各向同性及各向異性材料等復雜的結(jié)構(gòu)中超聲波的傳播問題，有限元法還可以通過有限元模型處理物理參數(shù)隨著環(huán)境的變化的影響等。在激光和物質(zhì)相互作用激發(fā)超聲波的過程中，熱與位移具有瞬態(tài)的特征和相互耦合的特點。有限元通過虛功原理建立了熱彈耦合的微分方程，把微分方程等效積分形式在空間域中離散后進行求解。3.13.1 網(wǎng)格劃分和時間步長的選取網(wǎng)格劃分和時間步長的選取 在計算過程中，網(wǎng)格的大小和時間步長的選取直接影響著計算精度和結(jié)構(gòu)響應的中心頻率。為了保證計算結(jié)果的精確度，就要適當?shù)膭澐?/p>

28、網(wǎng)格的大小和選取合適的計算的時間步長。下面對網(wǎng)格劃分和時間步長的選取標準進行了討論。3.1.1 網(wǎng)格劃分 一般為了對彈性波的傳播進行研究，有限元計算的網(wǎng)格大小需要小于彈性波波長的四分之一。對于空間是高斯分布，時間是狄拉克函數(shù)的脈沖型激光激發(fā)出的Rayleigh 波的中心頻率為: (3.1)0max2aCfR 其中，為 Rayleigh 波的波速，是激光作用光斑的半徑。則對應波長為：RC0a 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 8 頁 共 18 頁 (3.2)20mina其中，為超聲波脈沖中所含有的所有不同頻率成分中最小的波長。則網(wǎng)格min單元長度要滿足： (3.3)20mine

29、L3.1.2 時間步長時間步長的選取是正確反映不同頻率成分的超聲波波形的重要參數(shù)。用無條件的穩(wěn)定 Newmark 算法計算有限元方程的時侯，當滿足無條件穩(wěn)定時，時間步長的長短對于解的穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響，此時由求解精度來確定時間的步長，具體來說就是由對于結(jié)構(gòu)的響應有重大貢獻的最高的頻率或者相對應的周期來決定。無條件的穩(wěn)定 Newmark 隱式的算法與有條件的顯示的算法相比，能夠使用大的許多的時間步長，這就使得 Newmark 隱式的算法尤其適用于長時間結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應的分析。通常求解的精度越高則時間步長就要越小，而高頻成分超聲波則越可以分辨出來，若時間步長太大就不可以有效地把高頻成分超聲波分辨出來

30、。然而，時間步長過小就要求大量的計算時間，因此通過有限元的模型求解的時侯，在確保求解的精度下，時間步長的選取應為 (3.4)max201ft 其中是超聲波的最高頻率。maxf但當激光作用脈沖的上升時間為 ns 量級時，由式（3.4）確定的時間步長就無法供給足夠的時間分辨率。對于激光超聲的研究，時間步長的選取應該小至可以反映激光作用的過程。具體來講，時間步長的選取應滿足最小時間步長和兩個連續(xù)的節(jié)點之間的波傳播的時間相互對應。因此在激光超聲研究中，時間步長一般可以選取為 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 9 頁 共 18 頁 (3.5)max1801ft 3.23.2 激光作用

31、的力函數(shù)激光作用的力函數(shù) 當一束具有能量為 Q 的激光脈沖入射到各向同性彈性厚板板的表面。實際中激光脈沖具有一定的脈寬(幾十納秒)和一定的光束直徑。但考慮到光束直徑與式樣的橫向尺寸相比，脈沖寬度與所考慮的波的傳播時間相比，都小了許多，因此可以看做是點光源，這一點光源服從高斯分布。(3.6)是激光方程，其中 a0是激光的光斑半徑，A(T)是材料表面吸收率，t0是激光的脈沖時間 I0是脈沖激光的能量密度，可根據(jù)激光輻照能量，輻照半徑及脈沖時間求出脈沖激光的能量密度。 00(, , , , )( ) ( ) ( )Q IR r z tI A T f r g t220( )exprf ra 3.600

32、( )expttg ttt3.33.3 激光輻照蜂窩材料的模型構(gòu)建激光輻照蜂窩材料的模型構(gòu)建蜂窩材料是由兩層薄而強的面板材料，中間夾一層厚而輕的蜂窩芯組成的。一般而言面板材料采用玻璃布、膠合板、纖維板或鋁板。面板是夾層結(jié)構(gòu)的主要受力部分。蜂窩芯根據(jù)材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、棉布蜂窩和鋁合金蜂窩等，它在夾層結(jié)構(gòu)中起連接和支撐面板的作用。厚度一般有 0.12、0.16mm和 0.2等。mmmm按照平面投影形狀，蜂窩芯又可分為正六角形、菱形、矩形、正弦曲線形和有加強帶的六角形等。在這里我選用鋁作為面板和蜂窩芯的材料，蜂窩芯為正六角形,在模型上滿足自由邊界條件，在材料的銜接面滿足應力和位移

33、的連續(xù)，初始溫度為293.17K，激光輻照中心位移為 0。如圖 3-1 所示，激光輻射在蜂窩材料上表面，面板厚度為 0.25，蜂窩芯高度為 10，蜂窩芯鋁材料的厚度為 0.1，正六角mmmmmm 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 10 頁 共 18 頁形邊長為 4。單元的長度為 50，時間步長為 1ns.mmm 3-1 激光輻照蜂窩材料的 2D 模型3.43.4 激光輻照蜂窩材料的數(shù)值模擬結(jié)果及討論激光輻照蜂窩材料的數(shù)值模擬結(jié)果及討論 激光輻照蜂窩材料的模型如圖 3-1，激發(fā)激光的輻照能量為 13.5mJ，激光的光斑半徑為 300，材料的表面吸收率為 0.052，激光脈沖的上

34、升時間為 10ns。計算m中鋁材料的材料參數(shù)如表 3-1。熱膨脹系數(shù)(/)oC熱傳導系數(shù)(W/m)oC比熱（J/Kg）oC密度（kg/m3）楊氏模量（Pa）泊松比鋁623.1 102379042700970 100.35表 3.1 鋁熱學參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)3.4.1 激光輻照蜂窩材料的溫度場分析如圖 3-2 所示是激光輻照完好的在蜂窩材料上，蜂窩材料的溫升情況。圖 3-2(a)是激光輻照中心的溫度變化曲線，圖 3-2(b)是激光輻照中心，距離激光輻照中心 50激光輻照0yx 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 11 頁 共 18 頁，100，150依次一直到 500的溫度變化曲線

35、，圖 3-3(c)是完好蜂窩板、mmmm單層板及脫粘蜂窩板的激光輻照中心的溫度變化曲線。從圖中可以看出，約 0.1的時間內(nèi)溫升達到最大值，這是因為激光脈沖的上升時間很短，只有 10ns。通過s觀察圖 3-2b 可發(fā)現(xiàn)激光輻照中心處的最高溫度可達 365K，距離輻射中心 50處m溫度最高達到 360K，距離材料中心 100處溫度最高達到 350K，距離材料中心m150處溫度最高可達 338K，隨著距離激光中心的距離的增大，可達到的最高溫m度會降低。這些說明激光輻照中心處材料可達溫度最高，而隨著距離的增加能量產(chǎn)生衰減。這是因為激光源在空間上為高斯分布在中心處的能量最高.而溫度在達到最高值后，都會很

36、快產(chǎn)生衰減，這個說明鋁材料的溫度降低很快。在距離激光中心超過 500范圍的位置，材料幾乎沒有溫升，這是因為激光的輻照半徑為 300，mm由于傳播過程的衰減和材料的吸收，超出這個范圍幾乎不產(chǎn)生作用。圖 3-2c 中 1 代表的是完好的蜂窩材料激光輻照中心的溫度變化曲線，2 和 3 分別代表單層蜂窩板和脫粘蜂窩板的溫度變化曲線。從 3-2c 圖中可以發(fā)現(xiàn)完好蜂窩板溫度下降的比較慢，而單層板和脫粘蜂窩板溫度下降較快，這個是因為蜂窩板中蜂窩壁的作用，完好的蜂窩板的蜂窩結(jié)構(gòu)，具有保溫的功能，而脫粘和單層的直接就從板面?zhèn)鞑ァ?.00.20.40.60.81.029030031032033034035036

37、0370temperature(K)time(s)0.00.20.40.60.81.0290300310320330340350360370a=500ma=450ma=400ma=350ma=300ma=250ma=200ma=150ma=100ma=50mtemperature(K)time(s)a=0 （a） （b） 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 12 頁 共 18 頁0.00.20.40.60.81.0290300310320330340350360370temperature(K)time(s)12,3（c）3-2 激光輻照材料表面造成材料表面的溫升：(a)完好蜂

38、窩板激光輻照中心的(b)距離輻照中心不同位移(c)完好蜂窩板、單層蜂窩板、脫粘蜂窩板的輻照中心3.4.2 激光輻照材料的時域波形 如圖 3-1 所示在距離激光輻照光斑中心分別 2、4、6及 8位置mmmmmmmm的超聲波時域波形如圖 3-3 所示。其中 a、b、c、d 分別對應的是 2、4、6mmmm和 8的波形，他們是典型的蘭姆波波形圖，主要由對稱模 S0模和反對稱模mmmmA0模組成。首先到達觀測點的是弱色散的對稱模 S0模，緊后跟隨的是色散的反對稱模 A0模。計算求得波速約為 5358.25m/s 與理論值 5435.55m/s 很相近。材料的上表面由于距離中心的位移的不同，所以接收到的

39、波存在相位差距離激光輻照中心距離越遠波的峰值越小,則是因為隨著波的傳播,波的能量越來越低。 012345-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.1displacement(m)time(s)S0a0012345-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10displacement(m)time(s)s0a0 (a) (b) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 13 頁 共 18 頁 012345-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08displacement(m)time(s)s0a001234

40、5-0.020-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.025displacement(m)time(s)s0a0 (c) (d)圖 3-3 激光輻照完好蜂窩材料的時域波形圖(a)距離輻照中心 2mm(b)距離輻照中心 4 (c)距離輻照中心 6 (d)距離輻照中心 8mmmmmm距離激光輻照中心 4和 8的時域波形圖如圖 3-4,a,b 分別為距離激光輻mmmm照中心 4和 8的單層鋁板、完好蜂窩板及脫粘蜂窩板的時域波形圖。從 3-4ammmm圖中我們可以看出,單層鋁板和脫粘蜂窩板的波形吻合度一直較高，而完好蜂窩板剛開始吻合度很高，后面能量傳輸

41、比較快，這個說明蜂窩材料能夠較好的傳遞能量。圖 3-4b 是距離激光輻照中心 8位移的波形圖，三種波形的幅值變化是由于蜂窩mm壁的吸收和傳遞作用。012345-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.10displacement(m)time(s)132012345-0.04-0.020.000.020.040.06displacement(m)time(s)123 (a) (b) 圖 3-4 激光輻照時域波形圖 (a)距離輻照中心 4 (b)距離輻照中心 8mmmm 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 14 頁 共 18 頁0123450.000.050.1

42、00.150.200.250.30displacement(m)time(s)12圖 3-5 激光輻照的對心波形圖 1 完好蜂窩板 2 脫粘蜂窩板激光輻照完好蜂窩板和脫粘蜂窩板對心位置的波形圖如圖 3-5 所示, 1、2 分別為完好的鋁材料的蜂窩板及脫粘的蜂窩板的波形圖。曲線 1 表示的是激光輻照完好蜂窩板的對心位置的波形，曲線 2 表示的是激光輻照脫粘蜂窩板的對心位置的波形。大約前 2內(nèi)沒有波形，是因為超聲波還沒有傳播的接收位置，2后，波形曲線ss1 產(chǎn)生波形變化而曲線 2 依舊沒有變化，曲線 1 產(chǎn)生變化是激光超聲波已經(jīng)通過蜂窩壁傳播到了對心接收點，所以能夠產(chǎn)生波形，而曲線 2 則是因為脫

43、粘缺少了傳播介質(zhì)，激光超聲波需要從其他連接完好的地方傳播過來，因而尚未到達對心接收位置。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 15 頁 共 18 頁總結(jié)總結(jié) 激光超聲廣泛的應用于材料的無損檢測。由于蜂窩材料大量的應用于工業(yè)和航天制造，而傳統(tǒng)的而檢測方法的局限性，很難實現(xiàn)對蜂窩材料的精確檢測。本文建立了激光輻照蜂窩材料表面的有限元模擬。主要通過對比單層板、脫粘蜂窩板和完好蜂窩板的溫度變化曲線和時域波形，分析他們溫度場的變化以及時域波形的變化，對激光超聲波在材料中傳播過程進行了理論研究。結(jié)果表明激光在薄板表面激發(fā)產(chǎn)生的蘭姆波，主要有弱色散的對稱模 S0模和色散的反對稱模 A0模組

44、成此外，同種材料會因為結(jié)構(gòu)不一樣而波形不一樣，完好蜂窩板會通過蜂窩壁傳播，在傳播過程中會被吸收，而單層板直接傳播，所以單層板的幅值最高，脫粘蜂窩板其次，完好蜂窩板最小。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 16 頁 共 18 頁致謝致謝在這里我衷心的感謝袁玲老師,是她給了我研究這個課題的機會.我尤其要感謝顧竹君學姐,對于我的論文她傾注了大量的心血，給予了悉心的指導、啟發(fā)和幫助。在我工作中遇到問題時，她給予我及時耐心的幫助，可以說沒有她，這篇論文就不會這么順利的完成。本文的字里行間傾注了導師與她的大量心血和汗水，在此表示衷心地感謝和最崇高的敬意。感謝我的同學,在我的生活上給予我很

45、大的幫助，當我思想上有所困擾，心情郁悶的時候,他們會開導我?guī)椭?在這里我還要感謝給予我關愛的父母,兄弟姐妹,他們給予我最大的支持,關心和付出.最后向?qū)忛啽疚牡膶＜医淌诒硎旧钌畹刂x意！ 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文） 第 17 頁 共 18 頁 參考文獻參考文獻1 沃西源, 夏英偉, 涂彬. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復合材料特性及破壞模式J. 航天返回與遙感, 2005, 26 (4): 45-49. 2 楊寶剛. 復合材料的射線檢測技術J. 宇航材料工藝, 2004 (2): 26-28. 3 蔣淑芳, 沈京玲, 楊黨綱, 等. 鋁蜂窩膠接缺陷的紅外熱波無損檢測J. 無損檢測, 200

46、6, 28 (1): 23-25. 4 張淑香. 金屬蜂窩壓坑處膠接質(zhì)量無損檢測方法研究J. 無損探傷, 2002, 26 (6): 38-40. 5 王小永, 錢華. 先進復合材料中的主要缺陷與無損檢測技術評價J. 無損探傷, 2006, 30(4): 1-6. 6 應崇福. 超聲學M. 北京科學出版社, 1990. 136-253. 7 馮占英, 周正干. 蜂窩結(jié)構(gòu)的超聲和聲無損檢測技術J. 無損探傷, 2007, 31(6) : 1-4. 8 施德恒, 陳玉科, 等. 激光超聲技術及其在無損檢測中的應用概況J. 激光雜志, 2004, 25(5):1-4. 9 黃松林. 復合材料膠結(jié)缺陷

47、的紅外熱成像檢測J. 宇航材料與工藝, 2002, 6: 43. 10 陳積懋, 張穎. 復合材料無損檢測的新進展J. 航空工業(yè)技術, 1998, 5: 33. 11 劉松平, 郭恩明, 張謙琳, 等. 復合材料深度方向超聲 C 掃描檢測技術J. 無損檢測, 2001, 23(1): 13. 12 Jian X. Fan Y, Edwards R S, et al . Surface-breaking crack gauging with the use of lasergenerated Rayleigh waveJ. Joumal of Applied Physics, 2010, 28(

48、3):362-368. 13 Matsuda Y .Nakano H, Nagai S, et al. Surface breaking crack evaluation with pho to refractive quantum wells and lasergenerated Rayleigh wavesJ. Applied Physics Lerters , 2006;89(17):171902. 14 Shi Yifei, Shen Zhonghua, NiXiaowu, et al. Finite element modeling of acoustic field induced

49、 by laser line source near surface defect J. Optics Express, 2007, 15(9): 55125520. 15 錢夢騄. 激光熱彈激發(fā)超聲脈沖的特性研究J. 聲學學報, 1995, 21(1): 1-7. 16 袁易全等. 近代超聲原理與應用M. 南京大學出版社, 1996: 341-358. 17 Cheng J C, Zhang S Y, Wu L. Excitation of thermoelastic waves in plates by a pulsed laserJ. Appl. Phys.A, 1995, 61(3): 311-319. 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書（論論文文）第 18 頁 共 18 頁18 高會棟, 沈中華, 徐曉東, 張淑儀. 固體中脈沖激光激發(fā)超聲表面波的理論研究J. 應用聲學, 2002, 21(5):19-24. 19 Lei Wu, Jina-Chun Chen, Shu-Yi Zhnag. Mechanisms of laser-generated ultrasound in platesJ. Journal of Ph