流-固界面和弯曲表面上激光超声波的理论与实验研究

摘要

本文从流一固界面波和弯曲表面上(柱面、管道)周向波的激光激励机理出发，从理论和实验两方面研究了脉冲激光在流一固界面和弯曲表面上激励的超声场，主要内容如下： 以激光超声的热弹激发机理为基础，讨论了流体(包括气体)和固体中激光超声的激发过程；在此基础上，重点解决了流-固边界上超声场的耦合问题，给出流-固边界超声场耦合的边界方程；结合热传导方程和Navier-Stokes 方程，建立了流-固界面波的激光激发和传播的理论模型。 根据变分原理，推导出流体和固体中热传导方程和Navier-Stokes方程的有限元形式、流-固边界方程的有限元形式；重点解决了网格大小和单元步长的选择问题，给出了流体和固体中网格大小和单元步长的选择依据；讨论有限元数值色散对计算结果准确性的影响；编制了流一固界面波的激光激发和传播的有限元程序。 数值模拟了不同流一固界面(包括空气-铝、水-铝平面界面和空气-铝柱面界面等)上的泄露．Rayleigh波、泄露Lamb波的激光激发过程；并根据数值计算结果，讨论了泄露Rayleigh波、泄露Lamb波在界面上的传播特性。 提出了反射式和透射式两种光偏转探测方法，并相应地建立了基于这两种方法的光纤耦合探测装置，探测到了脉冲激光在不同流-固界面激发的流-固界面波(包括泄漏Rayleigh波、泄露Lamb波和Scholte 波)波形。实验结果和理论计算吻合，从而验证了所建模型的正确性。 采用有限元方法从理论上研究了脉冲激光在柱状和管状材料中激发的超声波，探讨了激光超声波在圆柱和管道，这两种典型弯曲表面上的传播特性，结果表明：激光超声波沿圆柱面传播时是色散，而且色散程度与圆柱的曲率半径有关；激光超声波沿管道圆周方向传播时，出现了一个与管道圆周方向的曲率有关的低频模态。该研究为利用激光激励的柱面Ryleigh 波和周向导波进行无损探伤提供了有益参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文中所用符号的物理含义

声明

1.绪论

1.1引言

1.2本文的主要工作

上篇：流-固界面激光激励超声波的理论和实验探测方法

2.激光激励流-固界面波的研究概述

2.1流-固界面波的研究概述

2.2激光超声现有理论

2.3流—固界面激光激励超声波

2.4本章小结

3.流-固界面波激光热弹激励的理论模型

3.1流-固界面波激光热弹激励问题

3.2激光激发流-固界面波的基本关系式

3.3有限元模型

3.4有限元程序

3.5本章小结

4.激光在流-固界面激发流固界面波的数值模拟与分析

4.1气-固界面波的激光激励

4.2气(空气)-固柱面界面上超声波的激光激励

4.3液-固界面波的激光激励

4.4本章小结

5.激光在流-固界面激发界面波的实验研究

5.1反射光偏转探测方法

5.1.1实验装置

5.1.2典型结果与分析

5.2透射光偏转法探测法

5.2.1实验装置

5.2.2典型结果与分析

5.3本章小结

下篇：柱状和管状材料中激光激励超声波的数值模拟

6.柱状和管状材料中激光激励超声波的研究概述

6.1研究意义

6.2柱状材料中激光激励超声波的研究进展

6.3管状材料中激光激励超声波的研究进展

6.4本章小结

7.柱状和管状材料中激光激励超声波的理论模型

7.1热弹性理论

7.2有限元模型

7.3有限元算法

7.4本章小结

8.脉冲激光在柱状和管状材料中激发周向超声波数值模拟与分析

8.1柱状材料中激光激发的超声波

8.2管状材料中激光激发的超声波

8.3双层圆柱体中激光激励的超声波

8.4本章小结

9.总结与展望

9.1总结

9.2展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

参考文献