激光热弹超声体力源和对应波形的数值研究

摘要

本文采用有限元方法建立了用于研究脉冲激光在不同性质固体材料中热弹激发超声波的数值模型，进而对不同性质固体材料中的激光超声体力源和超声波的产生机理、传播特征以及力源和波形之间关系进行了数值模拟研究。 在同时考虑脉冲激光的时间分布和空间分布、介质的热传导效应和激光在材料中的光穿透效应以及材料性质随温度变化的条件下，分别研究了金属材料和非金属材料中激光热弹超声力源和超声波的产生和传播过程，分析了金属和非金属材料中激光超声波的特点。结合对心波形，得到了不同力源模型下的应力场和对应超声波波形间的物理关系。 利用有限元方法研究了脉冲激光在透明薄膜/基底系统中激发超声力源和超声波的产生和传播过程。分析了该系统中激光激励产生埋藏体力源的特点以及和超声波波形之间的关系，研究了透明薄膜厚度对超声力源和超声波波形的影响及规律。结果表明，透明薄膜厚度的增加对系统温度场和应力场的影响效果并不相同；透明薄膜的约束使热弹应力场的轴向应力增大，但透明薄膜厚度超过一定值后，继续增加厚度对激光超声力源的形成不产生新的影响。 研究了脉冲激光在具有横观各向同性的单向纤维加强复合材料平行薄板中激发超声力源的产生和传播过程，利用应力分布和薄板变形的时间演变过程分析了激光超声Lamb波不同模态的力学产生和传播过程。采用上述方法研究了单向纤维加强复合材料厚板中超声体波的产生和传播过程，分析了横观各向同性材料不同传播平面内的应力场和超声波的产生和传播特征。结果显示，激光超声波在各向异性材料中的传播特征与超声波的传播方向有密切关系。 本文所建立的不同性质固体材料中的激光超声波和材料参数、激光参数间的定量关系，可用于不同性质材料中的激光超声产生和传播规律的研究，为金属、非金属、薄膜/基底系统和复合材料的激光超声无损检测和评估及参数优化提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1激光超声的研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1激光超声波理论研究和应用进展

1.2.2激光超声力源模型的研究和发展

1.2.3激光超声的数值计算研究进展

1.3本文的主要研究工作

2激光热弹超声基本理论和有限元方法

2.1固体材料中激光热弹产生超声波的基本理论

2.1.1固体弹性力学基本理论

2.1.2热弹性力学基本理论

2.2激光热弹超声的有限元方程和求解方法

2.2.1有限元方法简介

2.2.2激光辐照条件下热传导方程的有限元解法

2.2.3激光超声波的热弹性方程的有限元解法

2.2.4激光超声热弹性耦合方程的顺序耦合求解

2.3本章小结

3各向同性材料激光热弹超声力源形成过程和超声波研究

3.1各向同性介质中的激光热弹方程具体形式

3.1.1热传导理论

3.1.2热弹性方程

3.2金属介质中的激光超声力源和超声波波形

3.2.1数值计算中的激光和材料参数及有限元模型

3.2.2金属介质中的温度场分布

3.2.3瞬态应力场

3.2.4金属材料中激光激发产生的超声波

3.3非金属介质中的激光超声力源和超声波波形

3.3.1激光和材料参数

3.3.2非金属中的温度场分布

3.3.3非金属中的应力场分布

3.3.4非金属材料中激光激发产生的超声波

3.4不同力源模型下的超声应力场和对心波形

3.4.1同时忽略热传导和光学穿透效应的简化正交力偶模型

3.4.2忽略光学穿透效应考虑热传导效应的力源模型

3.4.3同时考虑热传导和光学穿透效应的力源模型

3.4.4考虑光学穿透忽略热传导效应的力源模型

3.4.5结果比较和分析

3.5本章小结

4透明薄膜/基底系统中激光激励埋藏体力源和超声波的研究

4.1透明薄膜/基底系统的激光热弹方程具体形式

4.1.1热传导议程

4.1.2热弹性方程

4.2透明薄膜/基底系统中的激光超声力源和超声波波形

4.2.1数值计算中的激光和系统材料参数及有限元模型

4.2.2瞬态温度场的分布

4.2.3激光激发超声波形

4.3透明薄膜厚度变化对埋藏体力源约束作用的进一步研究

4.3.1透明薄膜厚度增加对埋藏体力源的影响

4.3.2透明薄膜厚度增加对激光前驱小波幅值的影响

4.4本章小结

5单层纤维加强复合材料中激光激励超声力源和超声波研究

5.1正交各向异性材料中的激光热弹方程具体形式

5.1.1正交各向异性材料中的热传导方程

5.1.2激光超声热弹性方程

5.2薄层复合材料中激光激励超声力源和超声Lamb波

5.2.1数值计算中的激光和材料参数及有限元模型

5.2.2瞬态温度场和温度梯度场

5.2.3应力场传播过程分析

5.2.4激光超声Lamb波

5.3复合材料板中激光激励超声体波和表面波

5.3.1激光和材料参数

5.3.2瞬态温度场

5.3.3瞬态应力场

5.3.4激光超声波声场和超声波形

5.3.5材料热膨胀系数的各向异性对激光超声波形的影响

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参与科研项目