超声波在固体中传播的有限元模拟

摘要

波在传播的过程中如果改变了其单一的传播路径，就会发生反射、折射和衍射等现象。超声波本身是一种高频率的波，而且指向性很好，所以超声波检测的主要原理也是利用这些比其它波表现更加明显的现象于来检测评定被检测的对象是否存在缺陷。目前国内已经开始初步的应用处在国际上最为先进的两种超声检测方法：相控阵与TOFD（衍射时差法）。由于起步缓慢，相关人才紧缺，设备也相应的落后，为了促进超声波检测技术的发展，本文对超声波检测的两种先进方法进行了有限元数值模拟研究。总的来讲，完整的研究分成二个部分，模拟研究是第一步，反推模拟过程是第二步，这里只是作第一部分的研究。主要的目的是证明有限元模拟仿真TOFD法检测的过程是可行的，可以对检测进行辅助，弥补了TOFD检测手段的局限性。
　　模拟系统是由超声探头、楔块与缺陷试块三个模型构成。超声波时机械波，符合一般弹性波的传播规律，首先确立其在固体中传播的动态波动方程，然后再在有缺陷的模型中用TOFD法与相控阵法进行检测，最后模拟超声波的传播过程，与实验结果进行对比分析。结果表明仿真中的回波幅值精确度不高，而缺陷回波的时间精度很高，这说明了将数值仿真应用在只测量传播时间就可以对缺陷进行定量的TOFD法中是切实可行的。
　　TOFD的超声模型是根据惠更斯原理建立的，模拟的重点是怎么样模拟相控阵的波源发射超声波，怎么样施加载荷以及在哪施加载荷。使用TOFD检测方法得到的人工缺陷的实验检测结果与仿真结果的相符程度很高。从另外的角度上说，运用仿真手段在实际检测中对检测结果进行辅助分析是切实可行的。传统的检测手段模拟的结果中会波幅值的准确率不高，但是运用超声TOFD检测法只用测量回波时间，弥补了这一缺陷，两者相辅相成，仿真结果与实验结果的对比说明这种方法是有效的。

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第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 本文结构内容与主要安排

第二章 超声波检测基础

2.1 超声波声学理论

2.2 超声波检测的基本原理

2.3 超声相控阵原理

2.4 TOFD超声检测技术

2.5本章小结

第三章 超声波的限元数值模拟计算方法

3.1 有限单元法概况

3.2 弹性介质中的波动方程

3.3 波动有限元的求解方法

3.4本章结论

第四章 实验平台及实验设计

4.1 超声波探头

4.2 信号处理系统

4.3 软件

4.4 常规超声波缺陷检测

4.5 人工缺陷的TOFD超声检测

4.6 自然缺陷的TOFD超声检测

4.7 本章小结

第五章 超声波检测过程的有限元数值模拟

5.1 超声波检测模型建立

5.2 超声波传播的过程有限元数值模拟

5.3 缺陷试件中传播过程的有限元模拟

5.4本章小结

第六章 超声波检测实验与有限元建模仿真

6.1超声波相控阵检测实验

6.2 超声波TOFD检测实验

6.3 超声波有限元建模与仿真

6.4 结论

第七章 结论与展望

7.1 本文的研究结果与总结

7.2 未来的展望

参考文献

攻读硕士期间已发表论文

致谢