的数值模拟激光超声检测蜂窝材料内部缺陷

毕业设计说明书(论文)作者:学号：学院(系):理学院专业:光信息科学与技术题目:激光超声检测蜂窝材料内部缺陷的数值模拟指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2012年6月毕业设计说明书（论文）中文摘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业设计说明书（论文）外文摘要TitleNumericalsimulationofthelaserultrasonictestingofhoneycombmaterialinternaldefectsAbstractThelasersupersonicnonedestructivemethodtheexaminationtechnologyisthematerialnonedestructivemethodtheexaminationoneimportantmethod,isoneimportantexaminationmethodwhichthepresentpeoplepaysattention.Thetraditionnonedestructivemethodtheexaminationmethodtohavethecertainlimitation,incertainbadexaminationenvironmentorwasmeasuredthedetectedobjectsradioactive,hasnotbeenablecompletelytoanswerthepurpose.Intheprocessofmanufactureanduseofhoneycombmaterial,thehoneycombmaterialproducedetectisinevitable.Inordertoincreasetheservicelifeofmaterialsandtoimprovesafelyfactor,weshouldbeabletoknowthestructuralcharacteristicsofthematerialandthestresschangeatanytime.Inthisarticlesomeofthemethodsofthedetectionofhoneycombmaterialinternaldefectsisdescribed,anddescribedthelaserultrasonictestingtechnologyadvantages,comparedtootherdetectiontechnique.ByuseFiniteelementmethodtobuildhoneycombmaterialmodelsfornumericalsimulationoflaserultrasonictestingofhoneycombmaterialdefectswithin.Thenbyanalysisthetemperaturefieldandtime-domainwaveformoflaserultrasoundtocarriedouttheoreticalstudiesoftheultrasoundpropagationinthematerial.KeywordshoneycombmateriallaserultrasonicFiniteelementmethod本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ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本科毕业设计说明书（论文）第1页共18页1引言1.1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。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，而相应的波长只本科毕业设计说明书（论文）第2页共18页有几微米，大大提高了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。1.2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，要本科毕业设计说明书（论文）第3页共18页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的无损检测是实现损伤容限设计的基础和前提。1.3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。本科毕业设计说明书（论文）第4页共18页2激光超声无损检测技术2.1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