1、1瑞利波检测结构微缺陷的数值研究【摘要】研究激光激发瑞利波检测结构表面的微缺陷。基于波动方程，建立激光激发瑞利波检测结构微缺陷的有限元模型，模拟瑞利波在结构表面缺陷处发生的声波反射及模式转换的过程，推导出表面缺陷的位置及深度，为定量检测结构微缺陷提供相应的理论依据。 【关键词】瑞利波，缺陷检测，有限元模拟 由于材料应变引起的应力极大值通常分布在工件表面，如果不能及时检测出工件表面的微缺陷，它们就会快速生长甚至引发危险事故，因此，研究激光超声波与结构表面的微缺陷的关系受到高度重视。 激光超声技术具有非接触超声激发与探测，可一次性激发多种超声模式以及宽带的超声波等特点，在无损检测领域的应用价值受到
2、国内外学者的广泛关注，这使得激光激发超声波检测结构表面的微缺陷的问题成为亟需解决的基础性问题。 激光超声技术在研究结构表面的微缺陷是有效的，激光激发的声表面波尤其是沿表面传播的瑞利波，具有激发效率高，衰减小及易于检测等优点，可以实现对结构表面缺陷与亚表面缺陷的检测和定位。本文利用有限元方法建立激光超声检测结构微缺陷的模型，模拟激光激发的瑞利波在表面缺陷处发生声波反射及模式转换过程，进而推导表面缺陷的位置及深度的计算公式。 一、理论方法和数值模型 2脉冲线源激光垂直辐照到均匀的各向同性样品表面，坐标系（x， y， z）和样品中心坐标系重合，其中 y 轴垂直于样品表面，样品的表面缺陷走向平行于 z
3、 轴，x、y 方向的位移分别用 u、v 来表示。假设脉冲线源激光沿着 z 轴辐照样品表面，根据平面应变理论，可得 z 方向的位移为 0，即激光激发的超声导波沿着平面 xOy 传播，如图 1。二维时域波动方程表示如下： 式中 表示密度； ， 表示拉密常数。计算中，模型边界及表面缺陷内部边界均设为自由边界，样品的各质点初始位移，初始速度及加速度设置为零。 基于上述理论，建立有限元数值模型。其中，样品材料为亚克力平板，其密度与拉密常数分别为？籽=1.19g/cm3，？姿=3.9Gpa，？滋=2.3Gpa；平板的长度及厚度分别为 30mm，20mm；脉冲激光中心位置位于结构表面 x = 0 mm 处，
4、表面缺陷的起始位置为 x = 15 mm，表面缺陷的宽度及深度分别为 20 m、3.0 mm。数值计算的时间域为 0 t 30 s，时间步长t 为 0.01s，网格大小设置为 50 m。 二、数值结果和讨论 从图 2 可以看出，激光作用在结构表面依次激发出纵波（L） 、表面横波（S） 、以及紧后跟随的瑞利波（R） 。 三种模式的超声波沿着轴正方向首次到达接收点时，没有受到表面缺陷的影响。当 R 通过接收点并到达表面缺陷的前沿时，一部分 R 的能量发生反射，沿着结构上表面轴负方向传播，并到达接收点，标注为 RR，此外，我们还计算出 R 在缺陷下端的反射波 RL 及 RS，如图 2。 3基于上述结
5、果，可以得到 R 在结构表面缺陷处声波反射及模式转换的过程，如图 3。 沿着上表面传播的 R 经过接收点 E 点，到达缺陷顶部A 点，一部分能量在 A 点发生反射形成 RR，沿着上表面返回到 E 点，同时一部分 R 的能量绕过 A 点沿 AB 边表面向下传播。到达缺陷底部 B 点，除小部分能量绕过 C 点形成透射波沿着 CD 边传播，大部分能量将在 B 点发生模式转换，转变为纵波和横波向材料内部传播。 其中一部分能量沿着虚线方向到达 E 点，并在样品表面再次发生模式转换，形成瑞利波RL、RS。 通过上述分析，可以计算接收点和表面缺陷之间的距离 L2 为： 式中 tRS 为 RS 到达接收点的时
6、间，vS 为横波的传播速度。通过上面两式，可以计算缺陷的位置及深度。 三、结论 本文利用有限元方法建立激光激发瑞利波检测表面微缺陷的数值模型，研究瑞利波在表面缺陷处发生声波反射与模式转换过程，进而推导出表面缺陷的位置及深度，为激光声表面波技术检测结构表面的微缺陷提供有效的理论依据。 参考文献： 1韩庆邦， 钱梦騄. 激光激发粘弹表面波特性分析. 声学学报， 2007； （4） 2孙宏祥， 许伯强， 钱荣祖. 激光声表面波检测黏弹性平板裂痕有限元模拟. 江苏大学学报（自然科学版） ， 2010， （3） 基金项目：江苏大学科研立项（11A208） ，江苏省大学生实践创新训4练项目，江苏大学工业中心大学生实践创新训练项目
