激光超声波检测材料表面裂纹的有限元数值模拟

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近年来，激光超声无损检测已成为材料表面裂纹检测的-种行之有效的方法，如何快速准确的识别裂纹的大型位置，是无损检测的首要任务。随着计算机硬件和软件的迅猛发展，无损检测的数值模拟也成为研究的-个热点。该文采用abaqus有限元模拟了激光激发的超声波在预加裂纹卞结构中的传播，探讨了表面裂纹的尺寸和形状对反射波振幅的影响，为超声无损检测在缺陷的检验和定量评估上的应用提供了依据。

1有限元模型的建立1.1有限元模型的建立利用ABAQUS动力学隐式拈进行板中超声波的激发和接收的数值模拟，简化为平面问题。模型长l3 mm，厚1.5 mm，厚10 m，划分单元为长40 m，如图l所示 。材料参数为：E199.5 Gpa，P7858 kg/m ，v0.29。模型的下端和右端使用无限单元来消除来自边界的反射波对接收点信号的干扰，约束左端 方向的位移。单裂纹位置距离板左端l0.8 mm，接收点距离板左端4.56 mm。

1.2激励信号的选取利用有限元方法分析激光超声问题时，为满足求解的稳定性和精度，需要选择合适的时间步长和单元长度 〖虑超声频率和表面波的波长，选取时间增量步长为5x10 。S，网格大小为0.042XO.0127 mm，有限单元部分单元类型设置为CPE4，无限单元部分单元类型设置为CINPE4。使用ABAQUS里面的Standard分析步，脉冲激励的时间为5 X 10～S，分析步的总时间为5 X 10～S〃立两个step，stepl是超声波的产生阶段l step2是超声波在卞结构中传播阶段 。

图1 单裂纹有限元模型0.0 2 Oxl0 4 OxlOTime(s)图2 高斯分布脉冲的幅频曲线2数值模拟结果和讨论2.1超声波在无裂纹卞中的传播为了确定所选的激励信号是否合适，无限单元CINPE4能否消除边界反射波对接收点的波形图的干扰，首先对无裂纹板模型进行了模拟。得到接收点的波形图明显满足表面波的特性，同时消除了边界回波的影响。

2 0x100 0- 2 0xl0- 4 0xl04 0xl02 0xl0笛 O 0- 2 0xl0 。

七 >-4 0xl0图3 无裂纹卞接收点波形图Time，sec图4 裂纹深度200 m宽度200 m2.2裂纹深度和宽度对超声波波形的影响比较图4、图5、图87以得出：裂纹深度越深，回波能量衰减的越大，裂纹回波幅值越小，回波的时间提前。比较图6、图7、图87以得出：裂纹宽度越大，裂纹回波的幅值越小，对回波的时间没有影响。

3结语该文采用ABAQUS有限元模拟了瞬态高斯力载荷激励的超声波在卞中的传播 过程 ，通过 对数值结果 的探讨可以得 到以下结①作者简介：战宇，东北大学理，讲师，研究方向：激光超声检测。

刘常升，东北大学 ，教授 ，博士生导师，研究方向：材料表面科学与技术。

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 81E .1u∞E 五∞lD 1日0已∞>∞ ∞ ∞0口jl1d山《 i ：Science and Technology Innovation Herald0 0m 0.0△ "10。 2.0x100> Time.sec图5裂纹深度600 肛m宽度200 mTime.sec图7裂纹深度400 um宽度400 um论：(1)将激光激励等效为高斯分布的力载荷可以产生性能良好的表面波。(2)在边界处 采用无限单元可以有效的消除边界回波的影响。(3)随着裂纹深度的增加，表面波的能量衰减越大，裂纹 回波幅值越小 ，回波的时间提前。(4)裂纹宽度越大，裂纹 回波的幅值越小 ，对回波的时间没有影响。以上结论表 明所建立的有限元数值模型能够准确 的模拟激 光超 声裂纹检测这-物理过程 ，为进-步深入研究激光超声无损检测奠定了基矗4.Ox10C0吾 0 0ca"10。2.0x10>工 业 技 术Time.sec图6 裂纹深度400 um宽度300 Mm4.0xl 0。。