【摘 要】
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基于热弹性理论和流固耦合理论,建立了脉冲激光在流-固界面激励超声导波的理论模型,采用有限元方法数值模拟研究激光辐照产生的温度场和声波场,并建立了激光体力源分布和波形
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基于热弹性理论和流固耦合理论,建立了脉冲激光在流-固界面激励超声导波的理论模型,采用有限元方法数值模拟研究激光辐照产生的温度场和声波场,并建立了激光体力源分布和波形特征之间的定量关系。在此基础上采用积分变换解析方法进行比较研究,取得较好的一致性,为流-固界面激光激励超声导波无损检测提供理论基础。主要内容如下:
基于经典热传导方程,分析了激光脉冲线源在流-固界面产生的瞬态温度场,提出温度梯度场是激励超声波的体力源,并分析了其空间和时间分布特征,以及不同流体介质的热学参数对温度场的影响。
基于激光超声的热弹激发机理,采用积分变换方法耦合求解弹性介质的热弹控制方程和热传导方程,利用流固耦合边界条件,针对半无限大流-固空间和流体中固体板材两种不同情况,得到了超声波场的力学分量在变换域的解析解以及特征方程,进而得到了流-固界面导波的时域解和色散曲线、衰减曲线。
基于Comsol Multiphysics有限元分析平台,建立了脉冲激光线源热弹激励流-固界面导波的有限元数值模型。针对不同材料的热学参数和力学参数,研究了有限元模型中网格单元划分和时间步长选择等关键参数,获得了与解析求解相吻合的数值结果,证明了两种算法的有效性。
研究了脉冲激光线源在半无限大流-固界面激励的泄漏Rayleigh波、Scholte波以及Lateral波的位移和应力波形,比较分析了其传播特征,结果表明泄漏Rayleigh波和Scholte波的能量分别分布在固体和流体两侧。也研究了流体和固体间声阻抗差对界面位移波形的影响。对于脉冲激光线源激励无限大流体中固体板的泄漏Lamb波的情况,得到了两种不同模态的泄漏波,并研究了他们的色散特性和衰减特性,分析了流体环境对泄漏波形的影响。
本文的研究结果将为激光超声泄漏导波应用于流固环境的无损检测提供有效的理论依据,并为激光超声理论体系作有益的补充。
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