超声波在弹性固体传播的数值模拟及动态光弹的实验研究

• 作 者: 肖开丰
• 出 处: 中北大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 超声波传播 有限元 数值模拟 动态光弹实验

随着科学技术的进步,超声无损检测向着成像技术迅速发展,不仅用于医学诊断,而且逐渐应用于工业探伤,要求对钢、铁、铝等工业材料和产品质量的性能做出正确的、定量的评估。而影响超声成像分辨率的主要因素之一,是超声波信息的获取。传统研究超声导波传播和散射的实验手段,主要是时域法。从物体表面上的换能器所收到的超声波,根据示波器或者探伤仪显示的波形,推断导波在固体内部的散射过程,确定物体内缺陷的大小和方位。动态光弹能直接观察声波在透明固体内部障碍物的散射行为,有利于理解障碍物的散射特征。因此,玻璃中超声波传播规律可以用来显示超声脉冲波在钢、铁、铝等非透明金属材料中的传播规律。有限元超声波动方程由弹性波在固体中传播的理论为依据,能描绘出超声波在材料中的传播过程。计算机仿真可以帮助我们更好的理解超声波在固体材料的传播过程,并且可以作为研究探头参数、缺陷的特征和检测方法的工具。本论文首先介绍了弹性波在固体中传播的理论,并建立了微变等效模型,推导了弹性波动控制方程;同时介绍了弹性波平面问题的有限元格式,利用哈密顿原理推导弹性波控制方程,建立了二维有限元超声波动方程,并给出了有限元解的收敛及误差范围。其次,重点阐述机械振动产生超声波,并利用有限元方法和有限差分方法模拟在检测过程中的超声波波传播过程(垂直入射、斜入射)和棒材中导波的声场分布。最后,利用动态光弹设备拍摄了超声波传播过程(垂直入射、斜入射)和圆棒柱体中的超声脉冲垂直入射声场分布的图像。通过实验验证了有限元方法数值模拟超声波传播过程的可靠性。