激光在金属楔形板中激发超声导波传播规律的研究

论文摘要

本文从理论方面对脉冲激光在楔形板中激发超声导波的规律和超声导波在楔形板中传播的频散特性进行了研究。基于弹性力学的基本理论,建立了楔形板导波传播的理论模型,采用位移势函数法求解Navier-Stokes方程,并结合自由楔形板的零应力边界条件推导出楔形板的频散方程,通过数值方法求解频散方程得到频散曲线。比较并分析了几种不同角度楔形板的频散曲线,得到频散特性随楔形板角度变化的规律。小角度楔形板和大角度楔形板内导波的频散特性有较大区别,小角度楔形板厚度变化缓慢,导波频散曲线和平板中的情况相近；大角度楔形板厚度变化明显,导波频散特性较平板中有较大差异,随楔形结构角度不同频散特性也有明显变化。最后对楔形板内导波频散行为变化的原因给出了解释。基于激光超声的热弹激发理论,考虑脉冲激光作用于楔形板表面激发超声导波,并忽略热扩散效应与光学穿透效应,将激光作用等效为表面脉冲点力源。将脉冲激光作用等效力视为边界条件,采用双积分变换法求解波动方程,并结合边界条件确定出积分变换解（?）（k,ω）的四个系数,再对（?）（k,ω）采用二维IFFT数值运算得到导波波形。编程求解了几种不同角度楔形板内导波波形,通过比较分析不同位置的波形,得到导波在楔形板中传播时波形的变化规律。导波在楔形板内传播时,波形随板厚度变化而变化,在板厚度小的位置波形有明显的Lamb波特征,随着导波传播波形逐渐发生改变,厚度大的位置波形出现Rayleigh波的特征,并且随楔形板角度增大,这种转变趋势越明显。最后通过实验研究了楔形板中导波波形的变化情况,和理论计算结果取得较好的符合。本文的研究成果为金属楔形板和楔形结构材料的激光超声无损检测提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 激光超声激发研究进展
• 1.3.2 均匀平板中超声导波研究进展
• 1.3.3 厚度非均匀板材中超声导波研究进展
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 激光超声的基本原理
• 2.1 激光超声的激发机制
• 2.2 激光激发超声的解析模型
• 2.2.1 激光超声点源热弹激发模型
• 2.2.2 激光超声线源热弹激发模型
• 2.3 激光超声的接收
• 2.4 均匀平板中导波的基本性质
• 2.4.1 Lamb波概述
• 2.4.2 Rayleigh-Lamb频率方程
• 2.4.3 Lamb波理论频散曲线
• 2.5 本章小结
• 3 金属楔形板中超声导波的传播规律
• 3.1 金属楔形材料在工业中的应用
• 3.2 理论模型
• 3.2.1 楔形板及其应力描述
• 3.2.2 楔形板应力的势函数表示
• 3.3 频散方程的推导
• 3.4 计算结果及分析
• 3.4.1 频散方程的数值算法
• 3.4.2 频散曲线与频散特性的比较及分析
• 3.5 本章小结
• 4 激光在金属楔形板中激发超声导波
• 4.1 激光等效作用力源与边界条件
• 4.2 导波波形的理论计算
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 数值计算与参数选择
• 4.3.2 导波波形的比较与分析
• 4.4 激光在金属楔形板中激发导波波形的实验研究
• 4.4.1 实验原理与实验装置
• 4.4.2 实验结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录