金属管状材料中脉冲激光热弹激发超声的有限元数值模拟研究

论文摘要

本文建立了脉冲激光线源非轴对称作用在圆管状金属材料上热弹激发超声波的理论模型，并建立了该模型的有限元数值计算方法。对圆管中激光产生材料中的温度场、激光产生材料中的应力场以及激光激发材料中超声波的产生机理、波形特征及沿管周向的传播特征等方面进行了理论分析和数值模拟研究。 根据经典热传导方程，分析了材料在激光辐照下的光学及热物理性能的变化情况，得到了脉冲激光线源非轴对称作用在圆管状材料表面时材料内部的瞬态温度场分布。数值结果表明：材料内部的瞬态温度场分布在一个很小的局部区域，该区域存在很大的温度梯度，且分布极不均匀，材料热物理参数随温度的变化对整个瞬态温度场的影响很大。 在热分析基础上，根据经典线弹性动力学方程，应用准静态过程中线弹性有限元数值模拟计算激光热应力的方法，得到了脉冲激光线源非轴对称作用在圆管状材料表面时材料内部的应力场分布。冯．密赛斯应力随周向和法向的变化情况和温度场的变化类似，周向正应力在受热区域附近为压应力，远离激光辐照区域为拉应力，热应力是激光超声的源。 分析了纳秒量级的激光超声产生的热结构耦合的物理过程，研究了网格大小和时间步长参数和有限元求解的稳定性的关系，建立了优化的有限元模型，数值模拟圆管中激光非轴对称热弹激发超声的过程以及超声导波沿周向的传播过程。数值模拟结果表明：薄圆管中的激光超声导波是典型的类似于薄板中类Lamb波，且其中S0模式是传播速度最快且频散较小的导波；厚圆管表面声波中显著的波为掠面纵波、头波和瑞利波，第一个瑞利波脉冲的极性在传播过程中发生了倒转现象，瑞利波沿圆周向传播时180°范围内瑞利波脉冲正好倒转了一次；忽略衍射效果，只考虑色散效应时，圆管中第一个瑞利波脉冲的极性和试样的尺寸无关，仅和探测点离波源的角度相关。 本文的研究结果可为圆管材料的无损检测及圆管材料中的激光超声的实验研究提供理论依据，并为圆管状复合材料或新型材料中激光超声特性的研究提供基础。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 激光超声的特点
• 1.2.2 激光超声的研究现状
• 1.2.3 圆管中激光超声的研究进展
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 激光超声的基本原理和一些基本概念
• 2.1 热弹原理
• 2.1.1 热传导方程及热边界条件
• 2.1.2 热弹祸合
• 2.2 导波
• 2.2.1 导波的概念
• 2.2.2 群速度与相速度
• 2.2.3 导波的频散现象及多模态特性
• 2.3 圆管中的超声导波
• 2.3.1 圆管中的周向导波
• 2.3.2 圆管中的纵向导波
• 2.4 本章小结
• 3 有限元方法研究热弹性问题的原理
• 3.1 有限元法的基本思想
• 3.2 瞬态热传导方程的有限元解法
• 3.2.1 瞬态热传导边值问题的弱形式
• 3.2.2 热传导方程的有限元公式
• 3.3 热弹方程的有限元解法
• 3.3.1 强形式到弱形式
• 3.3.2 弱形式到强形式
• 3.3.3 热弹方程的有限元公式
• 3.4 热弹问题有限元法的一般步骤
• 3.5 有限元法研究热弹性问题的优越性
• 3.6 本章小结
• 4 脉冲激光线源与圆管材料相互作用产生瞬态温度场的研究
• 4.1 模型及边界条件
• 4.2 热传导方程有限元公式的解法及稳定性
• 4.2.1 热传导方程有限元公式的解法
• 4.2.2 热传导方程有限元公式解法的稳定性
• 4.3 有限元网格大小和时间步长的选取
• 4.4 瞬态温度场的数值模拟结果和讨论
• 4.4.1 激光和材料的有关参数
• 4.4.2 瞬态温度场
• 4.4.3 温度场梯度
• 4.4.4 不考虑材料热参数变化时对温度场的影响
• 4.4.5 激光线源宽对温度场的影响
• 4.5 本章小结
• 5 脉冲激光线源与管状材料相互作用产生热应力的研究
• 5.1 弹性热应力问题的有限元方程
• 5.2 热应力计算的有限元模型
• 5.2.1 温度单元到应力单元的转换
• 5.2.2 单元匹配
• 5.2.3 初始条件、边界条件及单元大小
• 5.3 热应力的数值模拟结果及讨论
• 5.3.1 激光和材料的有关参数
• 5.3.2 周向和法向正应力场结果及讨论
• 5.3.3 剪应力的计算结果及讨论
• 5.3.4 冯.密赛斯应力的计算结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 6 脉冲激光线源与管状材料相互作用产生周向导波的研究
• 6.1 热弹性方程和边界条件
• 6.2 热弹方程有限元公式的解法及稳定性
• 6.2.1 热弹方程有限元公式的解法
• 6.2.2 热弹方程有限元公式解法的稳定性
• 6.3 有限元网格大小和时间步长的选取
• 6.3.1 时间步长
• 6.3.2 网格大小
• 6.4 周向瞬态位移场的数值模拟结果和讨论
• 6.4.1 薄管中位移场的数值模拟结果和讨论
• 6.4.2 周向导波随管壁厚的变化
• 6.4.3 厚管中位移场的数值模拟结果和讨论
• 6.4.4 厚圆管中激光激发表面瑞利波极性的分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 附录
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢
• 参考文献