的数值模拟激光超声检测蜂窝材料内部缺陷

1、 毕业设计说明书(论文)作作 者者: 学学 号：号： 学院学院(系系):理学院专专 业业:光信息科学与技术题题 目目:激光超声检测蜂窝材料内部缺陷的数值模拟指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 6 月 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要激光超声无损检测技术是材料无损检测的一种重要手段，是目前人们所关注的一种重要的检测方法。传统的无损检测方法具有一定的局限性，在一些恶劣的检测环境中或被检测物具有放射性时，已不能满足要求。在蜂窝材料制造和使用过程中，蜂窝材料不可避免的会产生内部缺陷。为了增加材料的使用寿命以

2、及提高安全系数，我们应当能够随时知道材料的结构特征及应力的变化。本文中介绍了检测蜂窝材料内部缺陷的一些方法，并阐述了激光超声检测技术相比于其他检测技术的优势。采用有限元方法，构建蜂材料模型进行了激光超声检测蜂窝材料内部缺陷的数值模拟，通过温度场和时域波形的分析，对激光超声在材料中传播过程进行了理论研究关键词 蜂窝材料 激光超声 有限元方法毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要TitleTitle Numerical simulation of the laser ultrasonic testing of honeycomb material internal defects

3、 AbstractAbstractThe laser supersonic none destructive method the examination technology is the material none destructive method the examination one important method, is one important examination method which the present people pays attention. The tradition none destructive method the examination me

4、thod to have the certain limitation, in certain bad examination environment or was measured the detected objects radioactive, has not been able completely to answer the purpose. In the process of manufacture and use of honeycomb material, the honeycomb material produce detect is inevitable. In order

5、 to increase the service life of materials and to improve safely factor, we should be able to know the structural characteristics of the material and the stress change at any time. In this article some of the methods of the detection of honeycomb material internal defects is described, and described

6、 the laser ultrasonic testing technology advantages, compared to other detection technique. By use Finite element method to build honeycomb material models for numerical simulation of laser ultrasonic testing of honeycomb material defects within. Then by analysis the temperature field and time-domai

7、n waveform of laser ultrasound to carried out theoretical studies of the ultrasound propagation in the material. 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 6 页 共 18 页Keywords honeycomb material laser ultrasonic Finite element method 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页目 录1 引言.11.1 蜂窝材料的应用及缺陷检测 .11.2 检测复合材料内部缺陷的意义 .21.3

8、本文主要的研究工作 .32 激光超声无损检测技术.42.1激光超声概述.42.2 激光超声数值模拟发展 .42.3 激光超声检测技术 .63 激光超声检测蜂窝材料的有限元模拟.73.1 网格划分和时间步长的选取 .73.2激光作用的力函数.93.3激光辐照蜂窝材料的模型构建.93.4激光辐照蜂窝材料的数值模拟结果及讨论.10总 结.15致 谢.16参 考 文 献.17 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 18 页1 1 引言引言1.11.1 蜂窝材料的应用及缺陷检测蜂窝材料的应用及缺陷检测日月如梭，科学技术也随着时光的流逝而不断地进步创新。复合材料和纳米材料是目前

9、国际上两类极受人们关注的、在工业上具有很大应用潜力和正在迅速发展的新型机构材料。先进复合材料（ACM）具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好、膨胀系数低以及破损安全性好等一系列优点，能够满足航天技术轻量化、长寿命和高可靠的特殊要求，也已经成为航天技术领域不可缺少的重要结构材料。蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型。蜂窝夹层结构的主要特点是上、下板的材料厚度一般情况下均相同，而且比蜂窝芯子高度小的多，面板材料的强度和刚度一般均较高1.蜂窝材料主要由蒙皮、蜂窝芯和粘接剂组成。蒙皮一般由玻璃布、胶合板、纤维板、薄铝板、铝合金板或钢板组成。蜂窝芯一般由纸、玻璃布、铝合金或芳纶纸等组成，其网格形式有正六边

10、形、菱形或正方向等。虽然蜂窝材料如今在多个领域得到大量的应用，但是其在制作和使用的过程中容易形成缺陷，而这些缺陷的存在严重制约了蜂窝材料的应用。因此，我们对蜂窝材料的缺陷的检测势在必行。蜂窝材料的常用检测方法有 X 射线法2、红外热成像法3声阻法4和 CT 技术5等。X 射线法检测直观可靠，但是设备庞大，价格高昂，且 X 射线对人体有伤害。红外热成像法具有非接触、实时、高效的特点，借助于物体的热辐射得到物体的热图来判别是否存在缺陷，但是受周围的温度影响较大。声阻法检测构件爱你冲击损伤时，具有一定的局限性。CT 技术效率低，成本高，双侧透射成像，不适合于平面薄板构建的检测以及大型构件的的现场检测

11、。而超声具有波长短和方向性强的特点，与障碍物能产生衍射，散射，长久以来一直是无损检测材料内部缺陷，力学性质及为结构的长盛不衰的方法6.普通超声波方法7可以检测出检测出气孔、托粘、夹杂等大部分缺陷，但是常规的超声波法效率太低.而与传统的超声检测方法相比，激光超声检测8具有如下的优点：（1）由于激光超声不需要任何耦合剂，因此，耦合剂的易变性和耦合的可靠性及匹配性问题也不存在，对检测现场和被检测物的温度限制也随之取消。激光超声的脉冲宽度很窄，可达 1ns，这一数量级脉冲宽度的频率可达几千兆赫，而相应的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 2 页 共 18 页波长只有几微米，大大提高了

12、检测微小缺陷的能了。以及可以避免由于耦合剂的使用对材料产生的各种污染；（2）激光束的优秀品质使得被测超声波场可以不受任何干扰，或者干扰很小，具有极强的抗干扰能力；（3）常规的超声检测中，超声脉冲是由和试样直接耦合的压电或压磁换能器产生的。由于换能器自身的带宽的限制以及换能器与试样耦合等的影响，不可能产生很窄的单个超声脉冲。激光超声克服了压电换能器超声检测的弊端，激光超声能以非接触方式对物体进行无损检测，激光发射源到被测物体之间的距离可以达到10m，而且激光束的发散很小因而易于实现远距离的遥控激发和接收，并能实现工件的在线检测；（4）可以通过一玻璃窗口将激光束导入特定的空间，从而使其能方便地应用

13、于高温高压、高湿、有毒、酸碱等检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应的恶劣的环境；（5）可以在非压电晶体中直接激发超声；（6）利用锁模激光器很容易获得与激光脉冲宽度相近的超声脉冲，从而使得基于超声衍射方法的缺陷检测技术获得广泛的应用成为现实；（7）探测激光束可被聚焦成非常小的点，因而即使是常用的激光系统，也能实现微米量级的空间分辨率。因此，采用激光超声对蜂窝复合材料内部缺陷进行检测。1.21.2 检测复合材料内部缺陷的意义检测复合材料内部缺陷的意义 在先进复合材料制造过程中，由于难以对各种工艺参数进行精确控制，导致复合材料结构质量不稳定，具有一定的随机性，缺陷的存在也不可避免；另外在

14、使用过程中的静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变、过热等原因也会引起复合材料中损伤的产生9，而损伤的产生、扩展以及积累将会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料的湿热性能大幅度下降，强度与刚度急剧损失，大大的降低结构的使用寿命，有时还可能会造成灾难性的后果10.因此，在复合材料结构使用前 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 18 页以及使用过程中，对其进行无损检测(NDT)就显得极为重要。其次，航天器发射与运行的高昂成本，要求航天器结构的重量尽可能的轻，要减轻航天复合材料结构的重量，降低制造成本，就必须采用损伤容限设计技术11，而对材料中各种缺陷与损伤进行准确

15、的无损检测是实现损伤容限设计的基础和前提。1.31.3 本文主要的研究工作本文主要的研究工作首先，通过查阅国内外文献，了解激光超声在材料中的传播性质以及激光超声无损检测技术。运用有限元方法对脉冲激光辐射在材料上，材料的温升和材料中激发超声波进行计算。其中包含：采用专用的软件，建立激光与材料相互作用的模型，选择有限元单元、 ，网格的划分，荷载的施加，对结果提取和分析，以及最后得出结论。首先介绍了激光超声的产生机理及激光超声无损检测技术和和激光超声数值模拟。然后构建了单层铝板，完好的铝制蜂窝板及脱粘的铝蜂窝板。通过温度场的分析及时域波形的比较，分析出脱粘蜂窝板的波形与完好蜂窝板的波形，得出结论。

16、本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 4 页 共 18 页2 2 激光超声无损检测技术激光超声无损检测技术 2.12.1 激光超声概述激光超声概述 激光超声检测技术是一种利用激光脉冲激发超声从而实现无损检测的方法。1926 年两位法国科学家分别证明了可以用脉冲激光束激发固体和液体产生声波，随后他们又观察到强激光在固体和气体中产生的燃烧波，都会随着时间而衰减成声波。激光超声检测的最主要的优点是非接触检测，可用于各种恶劣环境、复杂外形的检测，因此激光超声检测技术是一种极有应用前景的新的无损检测技术。激光超声技术可以实现对材料表面缺陷与亚表面缺陷的定位和检测。如，Jian X 等人12

17、通过研究激光激发的 Rayleigh 波和铝板表面凹痕相互作用的过程，分析透射 Rayleigh 波和凹痕深度之间的定量关系；Matsuda Y 等人13采用光折变多量子阱技术建立激光超声检测系统，在试验中展开噪音环境下 Rayleigh 波检测材料缺陷的研究；倪晓武等人14采用优化的有限元模型，模拟脉冲激光激发近场声表面波经过表面缺陷后的Rayleigh 散射波场，研究反射与透射 Rayleigh 波和缺陷深度的关系。 激光超声是即脉冲激光在介质中所产生的超声波或利用激光来产生超声的物理过程。激光可以在固体中产生超声，也可以在气体和液体中产生超声。激光在固体中激发超声，起因于光波列与材料物质

18、的相互作用。不同的激光功率密度对应着不同的物理机制，主要有热弹机制和融蚀机制两种。当入射光功率密度较低不足以使材料表面熔化时，材料内超声波脉冲主要是由于材料吸收光能发生热弹性膨胀而产生，称为热弹机制15；当入射光功率密度较高时(107W/cm2)材料表面温度急剧升高至材料的熔点，产生烧蚀现象，导致表面小部分材料被气话，形成等离子体，称为融蚀机制16。而随着激光脉冲宽度的进一步压缩（压缩至 ps、甚至 fs 量级）及激光探测技术的发展，在脉宽为微秒级脉冲激光激发超声机理的基础上，也形成了一些新的超声波产生方法，如热应变激发、热栅激发（简称 LIPS）以及非热机制-反压电效应激发等方法。2.22.

19、2 激光超声数激光超声数值模拟发展值模拟发展 在激光于热弹机制作用下产生超声波的理论研究中，热弹方程的计算大都采用解析方法或者数值计算的方法，其中主要有本征函数展开法17-19、格林函数法20、 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 18 页双积分变换法21,22。本征函数展开法相对适用于很薄的薄板中兰姆波的分析，因为薄板中的兰姆波可以只考虑低阶的本征模态的作用，但当样品的厚度增加时，只考虑低阶模态的高频成分就不够了，还需要考虑高阶模态，这就造成了计算的复杂。对于格林函数求解法，它利用点源模型，因而使激光作用的热穿透效应被忽略，形成了表面热源。目前利用积分变换可以得

20、到的解析解都是利用把激光束简化的简化模型所得到的。对于实际的高斯脉冲二维模型，利用时间坐标的 Laplace 变换和空间坐标的傅里叶变换或者 Hankel 变换的双积分变换法计算热传导方程的变换解比较容易，但在一般的情况下，用解析方法无法得到时间空间坐标系中的解，因而要借助数值联合的反 Laplace-Fourier 变换或数值联合的反 Laplace-Hankel 变换，但这两种变换很困难。另外，上述的解析方法无法考虑到材料的热物理参数随温度变化的实际情况也无法定量的给出模型内部任意一点的瞬态响应信号，因而需要更符合实际更快速的算法。有限元法在严密的数学理论基础上建立。它借助于特殊的格林函数

21、，即所谓的基本解，将体积分转化为面积分。它是一种求解偏微分方程的数值计算方法，能够方便的处理复杂的几何结构，适应于各种物理问题，可以高效的用计算机实现，并且能够得到全场的数值解。除了可以灵活的处理各向同性及各向异性材料等复杂的结构中超声波的传播问题，有限元法还可以通过有限元模型处理物理参数随着环境的变化的影响等。在激光和物质相互作用激发超声波的过程中，热与位移具有瞬态的特征和相互耦合的特点。有限元通过虚功原理建立了热弹耦合的微分方程，把微分方程等效积分形式在空间域中离散后进行求解。早在 1988 年，日本东京大学的 M. Kass 等23利用有限元法初步模拟了短脉冲激光作用于单层铜样品的表面激

22、发出低于 100KHz 的频率的超声波信号，同时得到样品中的温度场分布，以及热变形和热应力的分布情况。1995 年美国的 Lee 和 Burger等24提出了激光兰姆波的有限元数值模型，并且通过其讨论了网格的大小对温度场及应力场的影响，然后通过已经有解析解的波形的低阶模态，对低阶模态的兰姆波进行了数值计算。2004 年，沙特阿拉伯的 Khan 和 Yilbas25理论分析了扫描激光源在薄板样品表面附近形成的温度场，通过有限元方法计算了激光在薄板的近表面产生的应力场，并且研究了温度场和应力场由于激光源的移动速度产生的影响。同时间，南京理工大学的许伯强、沈中华和倪晓武等26-30采用有限元方法模拟

23、了激光脉 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 6 页 共 18 页冲辐照在金属材料的表面生成的瞬态温度场，考虑了材料热物理参数在激光作用过程中和作用结束后的温度引起的物理效应，通过温度场的热耦合分析，成功地计算出了单层，双层以及多层材料中脉冲激光作用于材料表面产生的超声波，初步地建立了脉冲激光的输入参数和作用全场的超声波波形之间的定量关系，为激光超声进行无损检测和材料表征奠定了坚实的基础。 本文的研究中，通过有限元方法来研究蜂窝材料的内部缺陷，并进行了数值模拟。2.32.3 激光超声检测技术激光超声检测技术 激光超声是样品在激光脉冲的作用下产生的，它不仅与激光的时间特性和空间特

24、性有关，还与材料本身的光学、热学、力学等特性有关。激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，而且他们在时间上具有冲击函数 d(t)或阶跃函数 H(t)很相似的特性，使得激光超声技术成为研究复杂媒介中声传播理论的有效手段。 超声波在样品表面和内部的传播情况与样品的性能和结构有关。在遇到异质界面时，激光超声会产生透射、反射、折射和散射等现象。通过对探测到的激光超声信号进行分析和处理，可以获得样品信息，这就是激光超声技术的理论依据。 激光超声检测技术可分为传感器检测技术和光学检测技术两类，其中传感器检测技术用于为获得较高的灵敏度一定要与试样接触或者和试样表面很接近的情况。而光学检测是一种新

25、型无损检测技术，这种检测方法具有非接触，灵敏度高等特点。常用的超声波光学非接触检测技术包括光学干涉消光外差法和速度型干涉法两种；而光学法检测技术可以分为非干涉检测技术和干涉检测技术两种。其中非干涉检测技术包含有：刀刃检测技术、表面栅格衍射技术和反射率检测技术等。干涉检测技术包含有：光外差(或零拍)干涉仪技术、差分干涉仪技术及速度(或延时)干涉仪技术等几类。 上述各例说明了在高温高压、核辐射等恶劣环境下，激光超声均是材料缺陷检测、工业上定位、在线监测的极好手段。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 18 页3 3 激光超声检测蜂窝材料的有限元模拟激光超声检测蜂窝材料

26、的有限元模拟有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法在严密的数学理论基础上建立。它借助于特殊的格林函数，即所谓的基本解，将体积分转化为面积分。它是一种求解偏微分方程的数值计

27、算方法，能够方便的处理复杂的几何结构，适应于各种物理问题，可以高效的用计算机实现，并且能够得到全场的数值解。除了可以灵活的处理各向同性及各向异性材料等复杂的结构中超声波的传播问题，有限元法还可以通过有限元模型处理物理参数随着环境的变化的影响等。在激光和物质相互作用激发超声波的过程中，热与位移具有瞬态的特征和相互耦合的特点。有限元通过虚功原理建立了热弹耦合的微分方程，把微分方程等效积分形式在空间域中离散后进行求解。3.13.1 网格划分和时间步长的选取网格划分和时间步长的选取 在计算过程中，网格的大小和时间步长的选取直接影响着计算精度和结构响应的中心频率。为了保证计算结果的精确度，就要适当的划分

28、网格的大小和选取合适的计算的时间步长。下面对网格划分和时间步长的选取标准进行了讨论。3.1.1 网格划分 一般为了对弹性波的传播进行研究，有限元计算的网格大小需要小于弹性波波长的四分之一。对于空间是高斯分布，时间是狄拉克函数的脉冲型激光激发出的Rayleigh 波的中心频率为: (3.1)0max2aCfR 其中，为 Rayleigh 波的波速，是激光作用光斑的半径。则对应波长为：RC0a 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 8 页 共 18 页 (3.2)20mina其中，为超声波脉冲中所含有的所有不同频率成分中最小的波长。则网格min单元长度要满足： (3.3)20mine

29、L3.1.2 时间步长时间步长的选取是正确反映不同频率成分的超声波波形的重要参数。用无条件的稳定 Newmark 算法计算有限元方程的时侯，当满足无条件稳定时，时间步长的长短对于解的稳定性不会产生影响，此时由求解精度来确定时间的步长，具体来说就是由对于结构的响应有重大贡献的最高的频率或者相对应的周期来决定。无条件的稳定 Newmark 隐式的算法与有条件的显示的算法相比，能够使用大的许多的时间步长，这就使得 Newmark 隐式的算法尤其适用于长时间结构的瞬态响应的分析。通常求解的精度越高则时间步长就要越小，而高频成分超声波则越可以分辨出来，若时间步长太大就不可以有效地把高频成分超声波分辨出来

30、。然而，时间步长过小就要求大量的计算时间，因此通过有限元的模型求解的时侯，在确保求解的精度下，时间步长的选取应为 (3.4)max201ft 其中是超声波的最高频率。maxf但当激光作用脉冲的上升时间为 ns 量级时，由式（3.4）确定的时间步长就无法供给足够的时间分辨率。对于激光超声的研究，时间步长的选取应该小至可以反映激光作用的过程。具体来讲，时间步长的选取应满足最小时间步长和两个连续的节点之间的波传播的时间相互对应。因此在激光超声研究中，时间步长一般可以选取为 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 18 页 (3.5)max1801ft 3.23.2 激光作用

31、的力函数激光作用的力函数 当一束具有能量为 Q 的激光脉冲入射到各向同性弹性厚板板的表面。实际中激光脉冲具有一定的脉宽(几十纳秒)和一定的光束直径。但考虑到光束直径与式样的横向尺寸相比，脉冲宽度与所考虑的波的传播时间相比，都小了许多，因此可以看做是点光源，这一点光源服从高斯分布。(3.6)是激光方程，其中 a0是激光的光斑半径，A(T)是材料表面吸收率，t0是激光的脉冲时间 I0是脉冲激光的能量密度，可根据激光辐照能量，辐照半径及脉冲时间求出脉冲激光的能量密度。 00(, , , , )( ) ( ) ( )Q IR r z tI A T f r g t220( )exprf ra 3.600

32、( )expttg ttt3.33.3 激光辐照蜂窝材料的模型构建激光辐照蜂窝材料的模型构建蜂窝材料是由两层薄而强的面板材料，中间夹一层厚而轻的蜂窝芯组成的。一般而言面板材料采用玻璃布、胶合板、纤维板或铝板。面板是夹层结构的主要受力部分。蜂窝芯根据材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、棉布蜂窝和铝合金蜂窝等，它在夹层结构中起连接和支撑面板的作用。厚度一般有 0.12、0.16mm和 0.2等。mmmm按照平面投影形状，蜂窝芯又可分为正六角形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带的六角形等。在这里我选用铝作为面板和蜂窝芯的材料，蜂窝芯为正六角形,在模型上满足自由边界条件，在材料的衔接面满足应力和位移

33、的连续，初始温度为293.17K，激光辐照中心位移为 0。如图 3-1 所示，激光辐射在蜂窝材料上表面，面板厚度为 0.25，蜂窝芯高度为 10，蜂窝芯铝材料的厚度为 0.1，正六角mmmmmm 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 10 页 共 18 页形边长为 4。单元的长度为 50，时间步长为 1ns.mmm 3-1 激光辐照蜂窝材料的 2D 模型3.43.4 激光辐照蜂窝材料的数值模拟结果及讨论激光辐照蜂窝材料的数值模拟结果及讨论 激光辐照蜂窝材料的模型如图 3-1，激发激光的辐照能量为 13.5mJ，激光的光斑半径为 300，材料的表面吸收率为 0.052，激光脉冲的上

34、升时间为 10ns。计算m中铝材料的材料参数如表 3-1。热膨胀系数(/)oC热传导系数(W/m)oC比热（J/Kg）oC密度（kg/m3）杨氏模量（Pa）泊松比铝623.1 102379042700970 100.35表 3.1 铝热学参数和结构参数3.4.1 激光辐照蜂窝材料的温度场分析如图 3-2 所示是激光辐照完好的在蜂窝材料上，蜂窝材料的温升情况。图 3-2(a)是激光辐照中心的温度变化曲线，图 3-2(b)是激光辐照中心，距离激光辐照中心 50激光辐照0yx 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 18 页，100，150依次一直到 500的温度变化曲线

35、，图 3-3(c)是完好蜂窝板、mmmm单层板及脱粘蜂窝板的激光辐照中心的温度变化曲线。从图中可以看出，约 0.1的时间内温升达到最大值，这是因为激光脉冲的上升时间很短，只有 10ns。通过s观察图 3-2b 可发现激光辐照中心处的最高温度可达 365K，距离辐射中心 50处m温度最高达到 360K，距离材料中心 100处温度最高达到 350K，距离材料中心m150处温度最高可达 338K，随着距离激光中心的距离的增大，可达到的最高温m度会降低。这些说明激光辐照中心处材料可达温度最高，而随着距离的增加能量产生衰减。这是因为激光源在空间上为高斯分布在中心处的能量最高.而温度在达到最高值后，都会很

36、快产生衰减，这个说明铝材料的温度降低很快。在距离激光中心超过 500范围的位置，材料几乎没有温升，这是因为激光的辐照半径为 300，mm由于传播过程的衰减和材料的吸收，超出这个范围几乎不产生作用。图 3-2c 中 1 代表的是完好的蜂窝材料激光辐照中心的温度变化曲线，2 和 3 分别代表单层蜂窝板和脱粘蜂窝板的温度变化曲线。从 3-2c 图中可以发现完好蜂窝板温度下降的比较慢，而单层板和脱粘蜂窝板温度下降较快，这个是因为蜂窝板中蜂窝壁的作用，完好的蜂窝板的蜂窝结构，具有保温的功能，而脱粘和单层的直接就从板面传播。0.00.20.40.60.81.029030031032033034035036

37、0370temperature(K)time(s)0.00.20.40.60.81.0290300310320330340350360370a=500ma=450ma=400ma=350ma=300ma=250ma=200ma=150ma=100ma=50mtemperature(K)time(s)a=0 （a） （b） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 12 页 共 18 页0.00.20.40.60.81.0290300310320330340350360370temperature(K)time(s)12,3（c）3-2 激光辐照材料表面造成材料表面的温升：(a)完好蜂

38、窝板激光辐照中心的(b)距离辐照中心不同位移(c)完好蜂窝板、单层蜂窝板、脱粘蜂窝板的辐照中心3.4.2 激光辐照材料的时域波形 如图 3-1 所示在距离激光辐照光斑中心分别 2、4、6及 8位置mmmmmmmm的超声波时域波形如图 3-3 所示。其中 a、b、c、d 分别对应的是 2、4、6mmmm和 8的波形，他们是典型的兰姆波波形图，主要由对称模 S0模和反对称模mmmmA0模组成。首先到达观测点的是弱色散的对称模 S0模，紧后跟随的是色散的反对称模 A0模。计算求得波速约为 5358.25m/s 与理论值 5435.55m/s 很相近。材料的上表面由于距离中心的位移的不同，所以接收到的

39、波存在相位差距离激光辐照中心距离越远波的峰值越小,则是因为随着波的传播,波的能量越来越低。 012345-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.1displacement(m)time(s)S0a0012345-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10displacement(m)time(s)s0a0 (a) (b) 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 18 页 012345-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08displacement(m)time(s)s0a001234

40、5-0.020-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.025displacement(m)time(s)s0a0 (c) (d)图 3-3 激光辐照完好蜂窝材料的时域波形图(a)距离辐照中心 2mm(b)距离辐照中心 4 (c)距离辐照中心 6 (d)距离辐照中心 8mmmmmm距离激光辐照中心 4和 8的时域波形图如图 3-4,a,b 分别为距离激光辐mmmm照中心 4和 8的单层铝板、完好蜂窝板及脱粘蜂窝板的时域波形图。从 3-4ammmm图中我们可以看出,单层铝板和脱粘蜂窝板的波形吻合度一直较高，而完好蜂窝板刚开始吻合度很高，后面能量传输

41、比较快，这个说明蜂窝材料能够较好的传递能量。图 3-4b 是距离激光辐照中心 8位移的波形图，三种波形的幅值变化是由于蜂窝mm壁的吸收和传递作用。012345-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.10displacement(m)time(s)132012345-0.04-0.020.000.020.040.06displacement(m)time(s)123 (a) (b) 图 3-4 激光辐照时域波形图 (a)距离辐照中心 4 (b)距离辐照中心 8mmmm 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 14 页 共 18 页0123450.000.050.1

42、00.150.200.250.30displacement(m)time(s)12图 3-5 激光辐照的对心波形图 1 完好蜂窝板 2 脱粘蜂窝板激光辐照完好蜂窝板和脱粘蜂窝板对心位置的波形图如图 3-5 所示, 1、2 分别为完好的铝材料的蜂窝板及脱粘的蜂窝板的波形图。曲线 1 表示的是激光辐照完好蜂窝板的对心位置的波形，曲线 2 表示的是激光辐照脱粘蜂窝板的对心位置的波形。大约前 2内没有波形，是因为超声波还没有传播的接收位置，2后，波形曲线ss1 产生波形变化而曲线 2 依旧没有变化，曲线 1 产生变化是激光超声波已经通过蜂窝壁传播到了对心接收点，所以能够产生波形，而曲线 2 则是因为脱

43、粘缺少了传播介质，激光超声波需要从其他连接完好的地方传播过来，因而尚未到达对心接收位置。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 18 页总结总结 激光超声广泛的应用于材料的无损检测。由于蜂窝材料大量的应用于工业和航天制造，而传统的而检测方法的局限性，很难实现对蜂窝材料的精确检测。本文建立了激光辐照蜂窝材料表面的有限元模拟。主要通过对比单层板、脱粘蜂窝板和完好蜂窝板的温度变化曲线和时域波形，分析他们温度场的变化以及时域波形的变化，对激光超声波在材料中传播过程进行了理论研究。结果表明激光在薄板表面激发产生的兰姆波，主要有弱色散的对称模 S0模和色散的反对称模 A0模组

44、成此外，同种材料会因为结构不一样而波形不一样，完好蜂窝板会通过蜂窝壁传播，在传播过程中会被吸收，而单层板直接传播，所以单层板的幅值最高，脱粘蜂窝板其次，完好蜂窝板最小。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第 16 页 共 18 页致谢致谢在这里我衷心的感谢袁玲老师,是她给了我研究这个课题的机会.我尤其要感谢顾竹君学姐,对于我的论文她倾注了大量的心血，给予了悉心的指导、启发和帮助。在我工作中遇到问题时，她给予我及时耐心的帮助，可以说没有她，这篇论文就不会这么顺利的完成。本文的字里行间倾注了导师与她的大量心血和汗水，在此表示衷心地感谢和最崇高的敬意。感谢我的同学,在我的生活上给予我很

45、大的帮助，当我思想上有所困扰，心情郁闷的时候,他们会开导我帮助我.在这里我还要感谢给予我关爱的父母,兄弟姐妹,他们给予我最大的支持,关心和付出.最后向审阅本文的专家教授表示深深地谢意！ 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 18 页 参考文献参考文献1 沃西源, 夏英伟, 涂彬. 蜂窝夹层结构复合材料特性及破坏模式J. 航天返回与遥感, 2005, 26 (4): 45-49. 2 杨宝刚. 复合材料的射线检测技术J. 宇航材料工艺, 2004 (2): 26-28. 3 蒋淑芳, 沈京玲, 杨党纲, 等. 铝蜂窝胶接缺陷的红外热波无损检测J. 无损检测, 200

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