王傳勇 楊大興 陳占鋒 楊賀

摘 要：隨著激光技術(shù)的日益發(fā)展，激光超聲無損檢測(cè)逐漸進(jìn)入工科學(xué)生課堂，然而由于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)晦澀難懂，學(xué)生較難理解和掌握相關(guān)概念。本文探索利用ABAQUS對(duì)激光超聲激勵(lì)過程進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化，以增強(qiáng)學(xué)生的理解，提高教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：激光超聲;數(shù)值仿真;可視化;教學(xué)效果

一、引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種金屬以及復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。這些材料在制造或者服役的過程中，在材料表面產(chǎn)生微裂紋。這些微裂紋不僅會(huì)影響材料的性能，還可能會(huì)引發(fā)材料斷裂等嚴(yán)重后果，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，針對(duì)材料表面早期微裂紋的檢測(cè)識(shí)別，具有重大的安全與經(jīng)濟(jì)需求。

現(xiàn)有的無損檢測(cè)技術(shù)主要包括磁粉檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、滲透檢測(cè)法和激光超聲檢測(cè)法。每種技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，而激光超聲檢測(cè)適用于多種材料，對(duì)微小裂紋的檢測(cè)靈敏度高，穿透性強(qiáng)，檢測(cè)速度快，這也使得激光超聲檢測(cè)越來越得到無損檢測(cè)領(lǐng)域的認(rèn)可[1]。同時(shí)，也逐漸走進(jìn)大學(xué)工科專業(yè)課堂。

然而實(shí)際的激光超聲實(shí)驗(yàn)研究，需要購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成本大，耗時(shí)長(zhǎng)，不能作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)手段。而相較于實(shí)際的激光超聲實(shí)驗(yàn)，數(shù)值仿真通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)[2]，為激光超聲無損檢測(cè)研究提供了一種新的解決手段。借助ABAQUS強(qiáng)大的仿真功能，可以使學(xué)生更好的理解和驗(yàn)證激光超聲在被檢測(cè)件中的傳播，增強(qiáng)激光超聲無損檢測(cè)課堂教學(xué)效果。

二、ABAQUS軟件概述

ABAQUS軟件是由法國(guó)達(dá)索SIMULIA公司開發(fā)的一款數(shù)值仿真軟件，功能強(qiáng)大，不僅可以對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析，還可以解決各種復(fù)雜的非線性問題[3]。

ABAQUS軟件除了擁有著極其豐富的材料屬性庫，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種材料的模擬，還擁有著強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)數(shù)值仿真分析能力，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)等類型的仿真分析，還能夠?qū)α鞴恬詈?、壓電、熱電和質(zhì)量擴(kuò)散等進(jìn)行有效分析[4]。雖然ABAQUS進(jìn)入我國(guó)較晚，但是其率先采用用戶接口程序[5]，允許用戶在找不到合適模型的時(shí)候，能夠自定義材料模型、材料屬性和單元條件等各個(gè)部分，因此在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展。

三、實(shí)例分析

（一）建立模型

激光超聲的激勵(lì)激光為線源激光，沿y軸正向入射材料表面，線源激光與z軸平行，脈沖激光束為高斯能量分布，被測(cè)工件材料為鋁。

考慮線源為無限長(zhǎng)，且材料為各向同性，假設(shè)表面裂紋在z軸方向?yàn)闊o限長(zhǎng)，如圖一所示，則可以將三維激光超聲仿真模型簡(jiǎn)化為平面二維模型，大大減小仿真模型的計(jì)算量，縮短仿真時(shí)間。

在ABAQUS中建立的仿真模型，模型長(zhǎng)26mm，高16mm。本模型采用熱彈機(jī)制激勵(lì)超聲波，為了取得波傳播較好的空間分辨率，有限元單元格尺寸需要小于波長(zhǎng)的1/20，如式（1）、式（2）所示：

其中是時(shí)間步長(zhǎng)，為單元格尺寸，和分別為超聲最大頻率及其對(duì)應(yīng)的最小波長(zhǎng)。本文采用脈沖激光上升時(shí)間為1.5ns，時(shí)間步長(zhǎng)和有限元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1ns和20μm。

（二）仿真結(jié)果分析

縱波傳播速度約為6000m/s，傳播速度最快，因此相同時(shí)間下傳播距離最遠(yuǎn)。橫波傳播速度約為3100m/s，表面波傳播速度約為2900m/s，速度相差不大，因此相同時(shí)間下，傳播距離接近。但橫波會(huì)以大致30°角入射工件內(nèi)部，而表面波僅沿著工件表面?zhèn)鞑ィ芰孔畲?。仿真能量云圖如圖二所示，與已知理論結(jié)果基本一致。

四、結(jié)語

通過ABAQUS數(shù)值仿真脈沖激光激勵(lì)超聲波的物理過程，并將結(jié)果可視化，能夠直接明了的展示和驗(yàn)證激光超聲波的激勵(lì)過程，幫助學(xué)生理解其中的激勵(lì)機(jī)理和傳播規(guī)律，對(duì)于提升激光超聲教學(xué)效果具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 生利英. 超聲波檢測(cè)技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2014.

[2] 王勖成.有限單元法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009：1-12.

[3] 莊 茁.基于ABAQUS 的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4] 馬曉峰. ABAQUS6.11有限元分析從入門到精通[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[5] 李曉蓉， 馮永存. “海洋油氣工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”教改探索--數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用[J]. 教育教學(xué)論壇， 2022（1）：4.

基金項(xiàng)目： 杭州電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：基于慕課和混合課堂的工程制圖課程教學(xué)模式研究，項(xiàng)目編號(hào)：YBJG202225）、浙江省屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：GK219909299001-020）