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基于反射横波的金属材料内部缺陷激光超声检测研究

作　者: 李远林
导　师: 沈中华
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学
关键词: 激光超声金属铝内部缺陷横波激光多普勒测振仪
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 24次
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内容摘要

本文从有限元模拟及实验两个方面展开对激光超声横波在金属材料内部缺陷检测应用中的研究,主要讨论了横波的传播特性,以及通过分析横波与缺陷的相互作用过程来评估缺陷的位置、大小等信息。分析总结其他学者在内部缺陷检测研究的基础上,本文提出了一种利用横波反射回波对内部缺陷检测的“二次遮挡法”。该方法通过固定激光激发点与探测点距离,移动样品进行扫描检测,当超声横波的传播路径上存在缺陷时,缺陷会两次削弱横波的底面反射回波的幅值,根据缺陷对横波幅值的影响来获得缺陷的位置、大小等信息。利用有限元方法数值模拟激光源在含有内部通孔缺陷的金属铝材料表面激发超声波的物理过程。分别模拟样品内部相同大小不同埋藏深度的缺陷和相同埋藏深度不同大小的缺陷两种情况对反射横波幅值的影响。数值计算结果表明缺陷会削弱横波底面反射回波的幅值,在缺陷大小一定的情况下,不同的埋藏深度对反射回波的幅值影响不大；在埋藏深度一定的情况下,缺陷越大对反射回波幅值的削弱越明显。搭建相应的实验装置,采用激光线源激发超声波,激光多普勒测振仪在同侧接收超声波信号。首先固定信号接收点位置不变,移动激光线源进行扫描探测,获取满足横波底面反射回波幅值最大的最优探测距离。然后保持该激光激发点与探测点间距恒定,沿着经过内部缺陷的路径直线上精密移动样品,实现对含有不同大小通孔缺陷和不同埋藏深度通孔缺陷铝样品的扫描检测。根据激光激发点与信号接收点的间隔距离、缺陷对横波幅值的两次削弱间隔距离以及样品的厚度计算出缺陷的埋藏深度,所得结果误差均小于10%。进一步通过分析横波反射回波的延时情况对缺陷的大小做一个定性的估算。实验和模拟两部分均分析了横波与缺陷相互作用的过程,主要从缺陷对横波信号幅值的影响来讨论了超声波信号与缺陷的关系,分析了横波信号幅值在扫描检测中的变化规律。对相同深度不同大小缺陷以及相同大小不同深度缺陷两种情况做了系统的分析,总结出缺陷对超声波信号的影响。本文的研究结果可以为激光超声技术检测金属材料内部缺陷提供理论依据。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 研究背景与意义  8-9
  1.2 国内外研究进展  9-14
    1.2.1 激光超声检测技术简介  9-10
    1.2.2 激光超声检测技术的实验及理论研究进展  10-13
    1.2.3 激光超声检测技术的数值计算研究进展  13-14
  1.3 本文主要研究内容  14-15
2 激光超声的基本原理  15-24
  2.1 激光超声的激发机制  15-17
  2.2 脉冲激光激发超声解析模型  17-20
    2.2.1 脉冲激光热弹激发点源模型  17-18
    2.2.2 脉冲激光热弹激发线源模型  18-20
  2.3 激光超声的接收方法  20-22
  2.4 激光激发超声波形及传播特征  22-23
  2.5 本章小结  23-24
3 激光超声横波检测金属材料内部缺陷的有限元模拟  24-36
  3.1 有限元方法概述  24
  3.2 激光超声的有限元方程  24-26
    3.2.1 激光超声的有限元形式  24-25
    3.2.2 激光作用的力函数  25
    3.2.3 时间步长与单元长度的选取  25-26
    3.2.4 平面单元  26
  3.3 激光超声横波检测金属铝内部缺陷的有限元模拟  26-28
    3.3.1 激光超声横波二次遮挡法的基本原理  26-27
    3.3.2 有限元计算参数与网格划分  27-28
  3.4 有限元模拟结果分析  28-35
    3.4.1 没有缺陷铝材料模拟结果分析  28-30
    3.4.2 内部有通孔缺陷铝材料模拟结果分析  30-33
    3.4.3 相同尺寸不同埋藏深度通孔缺陷模拟结果分析  33-34
    3.4.4 不同尺寸同一埋藏深度通孔缺陷模拟结果分析  34-35
  3.5 本章小结  35-36
4 激光超声横波检测金属材料内部缺陷的实验研究  36-48
  4.1 实验装置  36-37
  4.2 SLLS技术选取最优探测距离  37-38
  4.3 样品中同一深度不同大小缺陷检测的实验数据分析  38-44
    4.3.1 超声信号数据分析  38-41
    4.3.2 样品扫描检测B-Scan图及实验误差分析  41-44
  4.4 样品中同一大小不同深度缺陷检测的实验数据分析  44-46
    4.4.1 超声信号数据分析  44-45
    4.4.2 样品扫描检测B-Scan图及实验误差分析  45-46
  4.5 本章小结  46-48
5 总结与展望  48-50
  5.1 总结  48
  5.2 展望  48-50
致谢  50-51
参考文献  51-55

基于反射横波的金属材料内部缺陷激光超声检测研究

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