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应用ABAQUS有限元软件模拟了脉冲激光激发的超声表面波在半无限大弹性薄板内的传播。首先把激光激励等效为作用在薄板表面的高斯分布的脉冲载荷,模拟输入的超声信号,在边界处采用无限单元来消除边界反射波对接收信号的干扰,接收到的表面波信号具有典型的表面波特点。其次,通过修正弹性模量的方法得到薄板在单向应力状态下的应力场,采用时差法得到表面波在应力区的传播速度,所得的数值结果和理论解与实验结果拟合良好,为激光超声检测残余应力提供了一种有效的数值方法。
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收稿日期 2014 - 01 - 13
基金项目 国家自然科学基金资助项目(51074050); 外国青年学者研究基金资助项目(51250110080); 中央高校基本科研业务费
重大科技创新项目(N130810002).
作者简介 战 宇(1980 - ),男,辽宁营口人,东北大学讲师,博士; 刘常升(1963 - ),男,内蒙古奈曼旗人,东北大学教授,博士生
导师.
第36卷第3期
2015 年 3 月
东北大学学报( 自然科学版)
Journal of Northeastern University(Natural Science)
Vo l. 36,No. 3
Mar. 2015
doi:10. 3969 /j.issn.1005 - 3026. 2015. 03. 023
激光超声表面波检测薄板残余应力的数值模拟
战 宇
1
, 刘常升
2
, 张凤鹏
1
, 邱兆国
1
(1. 东北大学 理学院, 辽宁 沈阳 110819; 2. 东北大学 材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110819)
摘 要 应用 ABAQUS 有限元软件模拟了脉冲激光激发的超声表面波在半无限大弹性薄板内的传播.
首先把激光激励等效为作用在薄板表面的高斯分布的脉冲载荷,模拟输入的超声信号,在边界处采用无限单
元来消除边界反射波对接收信号的干扰,接收到的表面波信号具有典型的表面波特点. 其次,通过修正弹性模
量的方法得到薄板在单向应力状态下的应力场,采用时差法得到表面波在应力区的传播速度,所得的数值结
果和理论解与实验结果拟合良好,为激光超声检测残余应力提供了一种有效的数值方法.
关 键 词 激光超声;表面波波速;有限元;等效弹性模量;残余应力
中图分类号 O 341 文献标志码 A 文章编号 1005 - 3026(2015)03 - 0406 - 04
Numerical Simulation of Laser Ultrasonic Surface Wave
Measurement of Residual Stress
1
,
2
,
1
,
1
(1. School of Sciences, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. School of Materials & Metallurgy,
Northeastern University, Shenyang 110819, China. Corresponding author: LIU Chang-sheng, E-mail: csliu @
mail.neu.edu.cn)
Abstract: The propagation of surface wave which induced by the laser ultrasonic shock processing
was simulated in half-space elastic materials by ABAQUS software. First, the effect of laser shock
processing was equivalent to a modulated Gaussian pulse. To eliminate the undesirable reflections
from boundary edges, the infinite elements were placed along the appropriate edges of the model.
The received waves agree with the Rayleigh surface waves. Secondly, the effective elastic
modulus method was introduced to simulate the initial residual stress in the surface region.
Detection of surface velocity based on ultrasonic time-difference method was introduced. The
numerical value and theory well fit experimental datas, which provid a way of using laser
ultrasonic to measure of the residual stress.
Key words: laser ultrasonic; surface wave velocity; finite element; equivalent modulus; residual
stress
在生产、加工和处理材料的过程中,由于材料
局部区域产生不均匀的塑性变形,因而必然会产
生残余应力. 残余应力作为一种内应力对工件或
材料各项性能的影响越来越受到人们的关注. 目
前检测残余应力的方法有很多种,作为一种新的
应力检测手段,激光超声波检测法以其非接触、
宽带、空间分辨率高等独特的优越性,近年来得到
了快速的发展,成为国内外学者研究的热点
[1 -6]
.
由于声应力效应,当材料存在残余应力时,其弹性
波传播速度将发生变化. 因此可以根据所测声波
速度的变化来反映其传播路径上的应力大
小
[7 -8]
.
本文主要应用有限元软件 ABAQUS 模拟了
脉冲激光作用于薄板表面激发的表面波的传播过
程,通过分析接收点的超声时域信号,得到了有残
余应力和理想无应力状态下表面波的速度比,并
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