金屬管狀材料中脈沖激光熱彈激發(fā)超聲的有限元數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文建立了脈沖激光線(xiàn)源非軸對(duì)稱(chēng)作用在圓管狀金屬材料上熱彈激發(fā)超聲波的理論模型，并建立了該模型的有限元數(shù)值計(jì)算方法。對(duì)圓管中激光產(chǎn)生材料中的溫度場(chǎng)、激光產(chǎn)生材料中的應(yīng)力場(chǎng)以及激光激發(fā)材料中超聲波的產(chǎn)生機(jī)理、波形特征及沿管周向的傳播特征等方面進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬研究。 根據(jù)經(jīng)典熱傳導(dǎo)方程，分析了材料在激光輻照下的光學(xué)及熱物理性能的變化情況，得到了脈沖激光線(xiàn)源非軸對(duì)稱(chēng)作用在圓管狀材料表面時(shí)材料內(nèi)部的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布。數(shù)值結(jié)果表明：材

2、料內(nèi)部的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布在一個(gè)很小的局部區(qū)域，該區(qū)域存在很大的溫度梯度，且分布極不均勻，材料熱物理參數(shù)隨溫度的變化對(duì)整個(gè)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響很大。 在熱分析基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)典線(xiàn)彈性動(dòng)力學(xué)方程，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中線(xiàn)彈性有限元數(shù)值模擬計(jì)算激光熱應(yīng)力的方法，得到了脈沖激光線(xiàn)源非軸對(duì)稱(chēng)作用在圓管狀材料表面時(shí)材料內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)分布。馮 ·密賽斯應(yīng)力隨周向和法向的變化情況和溫度場(chǎng)的變化類(lèi)似，周向正應(yīng)力在受熱區(qū)域附近為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離激光輻照區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，熱

3、應(yīng)力是激光超聲的源。 分析了納秒量級(jí)的激光超聲產(chǎn)生的熱結(jié)構(gòu)耦合的物理過(guò)程，研究了網(wǎng)格大小和時(shí)間步長(zhǎng)參數(shù)和有限元求解的穩(wěn)定性的關(guān)系，建立了優(yōu)化的有限元模型，數(shù)值模擬圓管中激光非軸對(duì)稱(chēng)熱彈激發(fā)超聲的過(guò)程以及超聲導(dǎo)波沿周向的傳播過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果表明：薄圓管中的激光超聲導(dǎo)波是典型的類(lèi)似于薄板中類(lèi)Lamb波，且其中S<,0>模式是傳播速度最快且頻散較小的導(dǎo)波；厚圓管表面聲波中顯著的波為掠面縱波、頭波和瑞利波，第一個(gè)瑞利波脈沖的極性在傳播