基于數(shù)值模擬的激光超聲裂紋檢測仿真技術(shù)

1、基于數(shù)值模擬的激光超聲裂紋檢測仿真技術(shù)激光超聲由于擁有分辨率高、靈敏度高以及較寬的頻帶特點，在損 傷檢測方面有得天獨厚的優(yōu)勢。本文憑借有限元分析手段，針對激光超聲 的激發(fā)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，對其產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了理論分析。同時，利用激 光超聲能夠激發(fā)出超聲縱波信號的特點，對材料內(nèi)部裂紋缺陷的深度以及 寬度信息進(jìn)行有限元理論分析。仿真結(jié)果證明激光超聲能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部 的裂紋缺陷進(jìn)行檢測，為材料內(nèi)部裂紋缺陷的實際檢測提供了理論基礎(chǔ)。激光技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的五大常規(guī)手段之一的超聲檢 測技術(shù)又獲得了新生，誕生了新型檢測技術(shù)一激光超聲技術(shù)。 通過激光遠(yuǎn)距離、非接觸的特點，在材料中激發(fā)超聲波信號。 激光超聲具備寬

2、頻帶、多模式的特點，針對不同的應(yīng)用場景， 可以選擇最佳超聲模式進(jìn)行分析。因而激光超聲檢測技術(shù)被廣 泛的應(yīng)用到遠(yuǎn)距離、高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境中的缺陷檢測。利用有限元分析方法可以對激光超聲的激發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù) 值模擬，并可以模擬當(dāng)材料內(nèi)部有缺陷存在時，激光超聲信 號傳播規(guī)律，有利于缺陷的檢測以及缺陷定位。本文利用有 限元分析思想對這一過程進(jìn)行模擬，通過ANSYS仿真軟件 對位于材料下表面的裂紋建立有限元仿真模型，對激光超聲 信號遇到內(nèi)部裂紋后的傳播規(guī)律進(jìn)行仿真，同時對缺陷的深 度以及寬度進(jìn)行了理論分析，對實際檢測提供理論基礎(chǔ)。激光超聲理論分析激光照射到材料表面，函數(shù)分布滿足高斯函數(shù)，因此激 光超聲波在

3、試件內(nèi)部傳播時也滿足對稱條件，可選擇試件厚 度方向切片進(jìn)行分析，如圖1所示。激光能量會在材料厚度方向傳播，會發(fā)生衰減，在深度 z處的光強(qiáng)為：I (z) = I (。)/材料吸收激光能量，局部溫升、膨脹，產(chǎn)生熱流運動。 柱面坐標(biāo)系下，高斯光源熱擴(kuò)散表達(dá)式如下所示：kV2T(x, y, t) = pc, T(x, y, t) + L.-U(x, y, t)gyt)為t時刻的溫度場函數(shù)，p為材料密度，初始溫 度To, k為熱擴(kuò)散系數(shù)，6為熱彈耦合系數(shù)。仿真模型中，試件邊界條件(模型寬記為I，厚度記為h ) 為：dT ( x, y, t)-ky，yh = PAQ)f(x)g(t)_k aT (x,y

4、)|= 0ydyIx=0, y=0,x=/P為激光能量功率密度，A(T)激光吸收率，/ (x)和如 為激光的分布函數(shù)，表達(dá)式如下：f (x) = exp(-x2 / %2)g(f) = 8t3/t3 exp(-2t2 / t2)a為激光光斑半徑，to為脈沖寬度。計算過程中，室溫 為300K,初始溫度與位移場為：T (x, y,0) = 300KU (x, ,0)=竺/1T=0 = 0有限元理論在有限元分析中，熱傳導(dǎo)方程為:K 的+ C T = P1 + P2式中：K、c為熱傳導(dǎo)矩陣和熱容矩陣，p、P為熱 流矢量與熱容矢量，T、T為溫度場及其一階導(dǎo)數(shù)。高斯光 源作為激光負(fù)載，為熱流矢量，即：K

5、T + c T = p忽略阻尼作用，由Navier - Stokes方程可得控制方程：MU+K U = 片彈性介質(zhì)中:何 = 國固%如其中，句、列為任意質(zhì)點應(yīng)變矩陣和參數(shù)矩陣，恤為熱 應(yīng)變矢量：圖1仿真模型圖2有限元仿真模型圖3激光加載Amnao圖6圖2有限元仿真模型圖3激光加載Amnao圖6縱波波形% =血-4） 由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得:由此可以得到試件中每個點的位移。ANSYS仿真分析本實驗中，試件材料選擇尺寸為：20mm （長） x4.4mm （厚度）的鋁板，材料特性如表1所示。表1試件KWLCJ .kgf K 1pkg m 3鋁29239702770激光為高斯分布函數(shù)，空間分布表達(dá)式為:fun

6、c = PA(T) f (r) f (t)f 3) = exp(-/%2) g(t) = 8t/ t0exp(-2t10) 激光參數(shù)如下：表2能量功率密度光斑半徑脈寬2MW -cm20.15mm10ns在ANSYS軟件中建立二維仿真模型，設(shè)置材料的熱力 學(xué)參數(shù)。分析單元選擇的是4結(jié)點8自由度的PLANE55 單元。實際仿真過程中，為了保障仿真精度，劃分網(wǎng)格時， 網(wǎng)格尺寸應(yīng)不超過1/4波長，仿真過程中，激光產(chǎn)生超聲波 的中心頻率為：fm ax =nao可得最小波長:同時根據(jù)最大中心頻率以及香農(nóng)定理選擇合適的采樣頻 率，即確定分析步長。建立的模型為長20mm、寬4.4mm 的矩形，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃

7、分，采用邊長為50um的正方形 劃分，并在激光照射范圍密化處理。在模型中添加材料的各 種屬性，包括密度以及熱力學(xué)的參數(shù)等。模型建立好后，進(jìn)行熱力學(xué)仿真，設(shè)置為瞬態(tài)熱力學(xué)分 析，添加初始溫度以及其余初始條件，設(shè)置采樣密度以及采 樣時間，并開始進(jìn)行仿真計算。溫度場分析結(jié)果如圖4所示，圖右兩曲線為縱向與橫向 的溫升曲線。從圖中可以看出激光束所造成的溫升主要集中 在光束直徑范圍內(nèi)。溫升范圍集中，導(dǎo)致局部膨脹，形成超 聲源。得到激光束引起的溫度場變化后，將溫度場作為熱載荷 進(jìn)行力學(xué)分析，位移變化云圖如圖5所示。從位移云圖中可以看出，激光超聲會產(chǎn)生多種波形，包 括橫波、縱波跟表面波等。本文主要針對內(nèi)部裂紋

8、缺陷進(jìn)行 仿真分析，因此我們主要分析縱波的傳播過程。圖6為激發(fā)點處采集到的縱波波形。從波形圖中可以 看出，縱波會在材料的上下表面進(jìn)行反射。由厚度及時間 差，可得縱波速度為6197m/s，與鋁試件中的真實縱波速度 6250m/s相比誤差不超過1%。缺陷檢測仿真結(jié)果分析1 ）裂紋缺陷檢測（a）缺陷模型（b） t=0.28us時波形傳播圖像（b） t=0.58us時波形傳播圖像圖7裂紋仿真結(jié)果圖8缺陷仿真波形圖10缺陷仿真結(jié)果(a)(b)(c)(d)a）缺陷位移-時間圖（e）圖9深度仿真模型a.無缺陷模型；b.深1mm的裂紋；c.深1.5mm裂紋；d.深2mm裂紋；e.深2.5mm裂紋首先我們進(jìn)行單

9、一裂紋缺陷仿真結(jié)果分析，材料尺寸與 上節(jié)中采用的模型尺寸一致，在據(jù)上表面2.2mm處設(shè)置裂 紋缺陷，如圖7所示.上圖（b） （c）為不同時刻縱波傳播云圖。圖（b）中 縱波信號還沒傳播到缺陷位置處；圖（c）中縱波信號遇到 缺陷后，部分聲波繞過缺陷繼續(xù)傳播，還有部分信號會被缺 陷反射，傳播方向發(fā)生變化，向上表面進(jìn)行傳播。根據(jù)時間 差以及聲波速度就可以求出缺陷信號與上表面之間的距離， 進(jìn)行缺陷定位。缺陷正上方采集到波形如圖8所示：與無缺陷情況下的波形圖相比，圖8中在0.73us時刻 處采集到反射波信號。根據(jù)時間差以及縱波速度可以求出在 d=2.26mm位置處存在缺陷，與實際值相比誤差僅為為2.7%。

10、2）裂縫缺陷深度分析接下來對裂紋的深度對激光超聲信號的影響進(jìn)行分析， 建立一組同寬不同深的模型：分別對模型進(jìn)行分析，結(jié)果如下圖9所示：從圖9中可以看出，在t=2.6us處能采集到底面反射波 信號，在時刻0到2.6us中間采集到每個裂紋的反射信號。 從接收到裂紋反射波的時刻可以看出，當(dāng)裂縫深度信息變化b）仿真結(jié)果與實際結(jié)果對比圖11仿真結(jié)果分析時，裂紋反射波到達(dá)時間以及信號的位移量也隨之變化。裂 縫缺陷的位移-時間如圖11所示，從圖中可以看出隨著裂縫 缺陷距上表面的距離增大，缺陷的反射信號逐漸減小；根據(jù) 采集到缺陷信號時間以及仿真得到的縱波速度，可得裂縫到 上表面間隔為 5.54mm、6.09mm、6.61mm、7.17mm， 誤差分別為 0.73%、1.5%、1.6%、2.4%。