激光超声检测带涂层金属表面裂纹的数值研究

摘要

长期处于应力集中和交变载荷下的零部件极易出现表面裂纹，裂纹的存在会引起零部件机械性能的急剧降低，甚至引发大的安全事故。由于传统无损检测技术不能克服非接触、恶劣环境下测量的困难，加之工程领域为了提高零部件的机械性能通常会在其表面镀上不同材料的涂层，也给检测带来了新的挑战。所以利用激光超声新型无损检测方法实现对带涂层金属表面裂纹快速、便捷的检测有着广阔的应用前景。 本文采用有限元数值模拟方法建立了无/带涂层、以及不同裂纹尺寸的物理模型，通过间接热-结构耦合的方式求得了不同物理模型下的温度场和位移场，并研究了激光作用于无/带涂层表面并激发出超声波的物理过程。 为研究涂层以及裂纹参数对声表面波信号的影响，采用多种数学方法对不同物理模型下的声表面波信号作对比分析，并通过有限元软件获得不同时刻的全场位移图，对涂层带来的影响进行了解释。数值结果表明：当涂层厚度远小于裂纹深度时，可以通过RR波与RS波的到达时间差定量表征裂纹的深度；激光超声技术在检测带油漆涂层零部件时，对涂层的厚度有一定的限制，当涂层超过一定厚度时该检测方法不再有效。 最后，在无/带涂层试件表面加工不同尺寸的裂纹，分别依托LUVI和Bossa Nova两套实验系统进行相应的实验，并研究声表面波信号的传播特征和波形变化趋势与涂层以及裂纹参数的关系。实验结果表明：数值模拟阶段所得到的结论是有效的且适用的，且在带涂层金属表面上的透射波不再适合作为裂纹尺寸定量表征的技术。

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1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 激光激发超声的理论研究进展

1.2.2 激光超声的国内外应用研究进展

1.2.3 当前研究存在的主要问题

1.3 本文的主要研究内容及结构安排

2.1 激光超声的激发机制

2.1.1 传统激光超声激发机制

2.1.2 现代激光超声的激发机制

2.2 激光超声的检测方法

2.2.1 压电式换能器检测方法

2.2.2 零差干涉检测方法

2.3 激光超声的有限元理论分析

2.2.1 激光能量加载函数

2.2.2 数值计算单元的选取

2.2.3 热传导的有限元形式

2.2.4 热弹耦合的有限元形式

2.2.5 激光超声有限元求解流程

2.4 本章小结

3.1 数值模拟方法

3.1.1 模型的建立

3.1.2 计算参数的选取

3.2 激光与材料相互作用产生瞬态温度场的数值模拟

3.2.1 无涂层时激光照射作用下的瞬态温度场

3.2.2 带涂层时激光照射作用下的瞬态温度场

3.3 激光与材料相互作用产生超声波的数值模拟

3.3.1 无涂层时不同接收位置处的声表面波与全场波形图

3.3.2 带涂层时不同接收位置处的声表面波与全场波形图

3.4 涂层对声表面波信号的影响

3.4.1 涂层对声表面波时频域信号的影响

3.4.2 涂层对声表面波波速的影响

3.5 裂纹参数对声表面波时频域信号以及全场波形图的影响

3.5.1 表面裂纹对激光超声波的影响

3.5.2 表面裂纹深度对表面波时频域信号的影响

3.5.3 表面裂纹宽度声表面波时频域信号的影响

3.6 本章小结

4.1 实验系统及金属样板参数

4.1.1 实验系统

4.1.2 金属样板参数

4.2 实验结果与对比分析

4.2.1 有无涂层时的声表面波对比分析

4.2.2 不同接收位置处的声表面波对比分析

4.2.3 不同裂纹深度的检测结果对比分析

4.2.4 不同裂纹宽度的检测结果对比分析

4.2.5 裂纹作用下的透射波信号

4.3 本章小结