声表面波用于表面加工损伤检测有限元仿真技术研究

摘要

激光激发声表面波检测表层加工缺陷技术是精密超精密加工检测技术领域新的研究方向，也是时下关注度很高的无损检测方法之一。本文基于脉冲激光的热效应通过有限元方法研究声表面波在硬脆材料的的激发及传播特性。进而以单晶硅材料为例，对硅介质表面加工缺陷对激光表面波传播特性的影响进行了数值模拟研究。主要内容如下：
　　从理论角度探讨了激光热弹激发表面波的热源模型，并借助有限元方法仿真模拟了脉冲激光在硅材料中激发表面波的物理过程。进而研究分析了激光源脉冲宽度、线光源宽度等参数对表面波信号实频特性的影响。结果表明控制其他参量不变，当脉冲宽度或是线光源宽度逐渐变窄时，所得表面波信号频带逐渐变宽并且幅值逐渐变大。
　　分析硬脆材料精密加工表面缺陷，借助绘图软件及 ANSYS软件建立不同缺陷模型，分别对表面粗糙度、表面微裂纹及表面均一化损伤层等缺陷模型的表面波激发检测进行了数值模拟，并获得各自损伤模型下的表面波信号。
　　使用MATLAB数字信号处理功能，通过快速傅里叶变换得到了声表面波传播的频域特征，采用相位谱法绘制出声表面波传播的相速度色散曲线。进而研究不同缺陷对激光表面波频散曲线的影响，并发现当粗糙度值小于0.1时，其对表面波的传播影响可以忽略，此外分析了不同裂纹尺寸与缺陷层杨氏模量、厚度对表面波频散曲线的影响。
　　经过上述研究，从仿真角度验证了声表面技术检测典型硅材料试件内表层损伤的可行性，获得了频域内表面加工损伤程度对色散曲线的影响关系。

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第一章绪论

1.1研究背景与研究现状

1.2研究来源

1.3国内外研究现状

1.4本课主要题研究意义和内容

第二章激光激发声表面波热源模型

2.1激光激发声表面波的机理

2.2本章小结

第三章激光激发声表面波的有限元仿真

3.1激光激发瞬态热分析及数值模拟结果

3.2热-结构耦合分析及仿真结果

3.3数值模拟结果讨论

3.4粗糙度对声表面波传播影响的有限元分析

3.5本章小结

第四章针对加工表面损伤的声表面波检测仿真研究

4.1均一化损伤层中声表面波传播过程的仿真计算

4.2表面裂纹损伤对声表面波影响的有限元仿真

4.3实验验证

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1主要工作及结论

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢