固体介质多缺陷超声波散射的有限元数值模拟

论文摘要

超声波在含有孔洞、夹杂等缺陷的固体中传播,遇到缺陷时发生散射,散射波包含缺陷的特征信息。由于固体含有多个缺陷情况的散射比单个缺陷情况复杂,实际检测分析较困难,因此了解多缺陷信息对超声波检测起着重要的作用。本文建立了各向同性固体的具有吸收边界的二维平面应变有限元模型,模拟计算了平面脉冲超声纵波在固体内部遇到相对于表面几种不同分布的双直裂纹、双斜裂纹的散射,然后计算了平面脉冲超声纵波和横波扫过两种分布的双圆柱形孔洞的散射。通过纵横波的分离和一次散射波和全波场的分离,清晰显示了多次散射波的位移场、散度和旋度场的波场快照图,与光弹法实验结果进行对比,有很好的一致性。本文对平面超声纵波遇到单夹杂和双夹杂时的散射也做了研究。理论推导了声波从一种固体介质入射到另一种固体介质的反射系数和透射系数,数值模拟计算了夹杂分别为铸铁、铜和钢时的反射和透射系数,与理论值进行了对比,验证了有限元方法的正确性和有效性。最后,研究了固体介质中含有多个圆柱形孔洞缺陷的平面脉冲超声纵波散射,并对缺陷为平均分布、正态分布、指数分布三种情况下的a扫描曲线对比,看出了散射波的聚集和能量分布状况;结合速度分布图分析了缺陷在介质中所占面积对声波传播速度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的内容和方法以及任务
• 第二章 固体声波方程的有限元方法
• 2.1 有限元分析流程
• 2.2 有限元法计算程序的基本步骤
• 2.2.1 物体的离散及单元类型的选择
• 2.2.2 单元的分析
• 2.2.3 整体分析
• 2.2.4 引入支撑条件和节点总载荷
• 2.2.5 解有限元方程求节点位移
• 2.3 固体中声波方程的有限元形式
• 2.3.1 固体中的声波方程
• 2.3.2 动力学有限元方程
• 2.4 吸收边界
• 2.4.1 粘性边界
• 2.4.2 Sama 边界
• 第三章 固体中双缺陷的声波散射
• 3.1 主要计算参数的选择
• 3.2 双直裂纹的声波散射
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 模型一计算结果及讨论
• 3.2.3 模型二计算结果及讨论
• 3.3 双斜裂纹的声波散射
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 模型一计算结果及讨论
• 3.3.3 模型二计算结果及讨论
• 3.4 两个圆柱孔洞缺陷的声波散射
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 模型一计算结果及讨论
• 3.4.3 模型二计算结果及讨论
• 3.5 小结
• 第四章 圆柱形夹杂的声波散射
• 4.1 单圆柱夹杂的声波散射
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 模型计算结果及讨论
• 4.1.3 反射与折射系数
• 4.2 双圆柱夹杂的声波散射
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 模型计算结果及讨论
• 4.3 小结
• 第五章 多个圆柱形孔洞的声波散射
• 5.1 主要参数选择
• 5.2 计算模型
• 5.3 模型计算结果及讨论
• 5.3.1 时域分析
• 5.3.2 频域分析
• 5.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢