基于激光热弹的机械构件缺陷检测方法研究

摘要

本文结合国家自然科学基金“机械构件疲劳裂纹的激光超声检测新方法研究”(编号51375434)，针对激光热弹技术和机械设备检测问题展开了深入的调研，围绕构件构件缺陷检测问题，开展了以下研究:基于有限元方法展开相关的机理，建立了高斯脉冲激光在金属材料中激发超声波的理论模型，探究了热弹效应下的激光超声过程中热应力场及位移场的分布规律;研究了激光超声与缺陷相互作用规律;研究了超声信号的分析方法，设计了一种新型基于激光热弹的构件缺陷检测系统，开发了激光超声信号处理模块，引入了一种改进算法进行检测系统性能优化;进行了相关仿真实验。本文的研究成果可为材料表面缺陷的定性识别提供研究基础，其主要研究工作及内容如下:
　　基于平面应变的弹性理论，建立动态有限元模型，分析激光辐照过程中瞬态应力场随时间变化的情形，数值模拟了激光热弹致声的过程，得出了膨胀应力及压缩应力的分布规律以及膨胀应力数量级大于压缩应力的研究结果。并考虑激光作用过程及作用后的温度变化效应，分析了激光辐照过程中瞬态位移场分布随时间变化，得出了激光超声波为多模态混叠以及温度上升与下降阶段超声波传播与能量衰减的相关规律。
　　对激光辐照缺陷材料的情形进行有限元分析，分别给出了表面单缺陷与含缺陷群的材料在激光辐照后产生的位移场分布。主要内容如下:仿真了两种不同缺陷情形下，激光辐照材料产生的声场分布。进而探究激光超声与缺陷之间的相互作用，分别建立反射波与透射波模型对波信号进行分析。数值分析结果表明:对于反射波信号，声表面波在微缺陷顶端发生反射直接传播至接收点;对于透射波信号，声表面波在微缺陷处模式转换产生纵波传播至接收点。上述结果对于基于激光热弹的构件缺陷检测具有指导意义，可作为超声信号获取模块设计的理论参考。
　　设计了一种包含信号源激发模块、可调式二自由度试件模块、超声信号获取模块及信号处理与分析模块等功能模块的新型可调式基于激光热弹的构件缺陷检测系统。并分析了常用的信号处理方法及存在的问题，提出了一种新的基于固有模态函数(IntrinsicModeFunction，IMF)的阈值降噪方法，设计了一种预处理功能模块，最后分别使用不同的方法对激光超声信号进行降噪处理，并对比其效果，发现该方法较好地克服了多模态造成的降噪困难。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 激光热弹的国内外研究进展

1．2．1 激光超声技术的研究进展

1．2．2 激光超声激发及其机理的研究进展

1．2．3 激光超声缺陷检测技术的研究进展

1．3 本文主要研究工作

第2章 激光激发及材料热弹作用机理

2．1 光源激发机理及模型

2．1．1 激光超声的激发机理

2．1．2 激光点源的解析模型

2．1．3 激光线源的解析模型

2．2 热弹原理

2．2．1 热传导过程分析

2．2．2 热弹性过程分析

2．3 接收及检测过程

2．4 本章小结

第3章 激光与材料相互作用下的热弹性问题研究

3．1 引言

3．2 热弹机制下的激光超声过程

3．2．1 激光作用函数

3．2．2 材料热传导产生温度场

3．2．3 热弹效应产生位移场

3．2．4 热弹效应产生热应力场

3．3 应力场计算结果及讨论

3．3．1 铝材料中的瞬态应力分布

3．3．2 铁材料中的瞬态应力分布

3．4 位移场的计算结果及讨论

3．4．1 铝材料中瞬态位移场分布

3．4．2 铁材料中瞬态位移场分布

3．5 本章小结

第4章 激光辐照含缺陷材料的热弹性问题研究

4．1 引言

4．2 采用有限元法数值模拟激光与缺陷相互作用

4．2．1 有限元控制方程

4．2．2 算法

4．3 数值模拟结果与讨论

4．3．1 激光与材料参数

4．3．2 时间步长与网格参数

4．3．3 含缺陷材料中瞬态位移场分布

4．3．4 激光辐照在含缺陷材料中产生的位移信号

4．4 本章小结

第5章 基于激光热弹的构件缺陷检测系统设计

5．1 引言

5．2 基于激光热弹的构件缺陷检测实验系统

5．2．1 信号源激发模块

5．2．2 可调式二自由度试件模块

5．2．3 超声信号接收模块

5．3 激光超声信号处理与检测

5．3．1 小波降噪方法

5．3．2 EMD降噪方法

5．4 IMF阈值降噪

5．4．1 EMD区间闽值方法

5．4．2 送代式EMD区间闭值方法

5．4．3 清晰的迭代区间阈值方法

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文的研究展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果