基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。     

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

斜入射激光支持燃烧波时纵波声场的指向性

利用理论推导及实验验证的方法研究了激光倾斜入射支持燃烧波时纵波声场的指向性。根据激光超声的产生机理, 在喷溅物质垂直作用于工件表面的前提条件下, 推导了椭圆形声源作用时远场质点的法向位移。获得了纵波声场的指向性函数, 分析了影响纵波声场指向性的因素, 并进行了实验验证。利用功率密度低于爆轰波点燃阈值的激光烧蚀工件, 使用峰值频率为5 MHz压电探头接收纵波, 进而获得纵波声场的指向性实验数据, 结果表明, 实验数据与理论数据能够较好地进行吻合。在光斑短轴长度恒定时, 与激光垂直入射相比, 各倾斜入射角度下纵波声场的声束轴线指向均保持不变, 并且指向性图形随倾斜角度的增加而变得细窄, 纵波声场的能量也更加集中。     

激光-EMAT法非接触式无损检测金属内部缺陷研究

为了实现金属材料内部缺陷的非接触式无损检测,采用激光-电磁超声方法进行了理论分析和实验验证研究,取得了钢坯试样中深度为40mm、尺寸为Φ3mm×30mm孔洞人工伤的检测数据,检测结果与实际孔洞位置之间的测量误差约为5%。结果表明,激光-电磁超声技术适用于金属材料内部缺陷的非接触式无损检测。     

采用激光声磁技术检测钢轨踏面缺陷

钢轨踏面与车轮之间的滚动接触疲劳形成的大量表面缺陷严重危害着铁路行车安全,传统的无损检测(NDT)方法已不能适应铁路快速发展的需要。根据激光声磁技术的基本原理和钢轨踏面缺陷检测的特点,研究了钢轨踏面缺陷检测的激光声磁检测技术。通过对比激光声磁技术与压电超声检测钢轨踏面横向裂纹缺陷的实验,表明本文方法能准确的检测和定位踏面横向裂纹。通过小波阈值去噪技术对激光声磁信号进行处理,在保留了原始信号的各种特征的同时大大提高了信噪比(SNR),更有利于缺陷的识别和特征的提取。分析了提离效应对激光声磁信号的影响,获得了提离距离与接收信号幅值变化曲线图。实验结果表明,本文方法无需耦合剂、对钢轨表面状况要求低,可实现钢轨踏面缺陷的非接触、快速和准确的检测。     

基于光纤传导的钢轨踏面缺陷激光声磁检测

针对较容易产生缺陷的钢轨 踏面检测要求,建立了基于光纤传导技术的钢轨踏面裂纹缺陷激光声磁检测(EMAT)系统。 系统通过光纤传导 脉冲激光照射到钢轨踏面激发出超声表面波,表面波在传播过程中遇到钢轨踏面缺陷时发 生模式转换成 横波,再使用电磁超声技术接收超声转换成横波信号。通过本文系统对钢轨试样不同位置 进行扫查,能精 确检测出钢轨踏面裂纹缺陷。实验结果表明,本文系统具有非接触、结构灵活和灵敏度高 等优点,可实现钢轨踏面裂纹缺陷的有效检测。     

采用激光声磁技术检测钢轨踏面缺陷

钢轨踏面与车轮之间的滚动接触疲劳形成的大量表 面缺陷严重危害着铁路行车安全,传统的无 损检测(NDT)方法已不能适应铁路快速发展的需要。根据激光声磁技术的基本原理和钢轨踏 面缺陷检测的特点, 研究了钢轨踏面缺陷检测的激光声磁检测技术。通过对比激光声磁技术与压电超声 检测钢轨踏面横向 裂纹缺陷的实验,表明本文方法能准确的检测和定位踏面横向裂纹。通过小波阈值去噪技术 对激光声磁信号 进行处理,在保留了原始信号的各种特征的同时大大提高了信噪比(SNR) ,更有利于缺陷的识别和特征的提取。 分析了提离效应对激光声磁信号的影响,获得了提离距离与接收信号幅值变化曲线 图。实验结果 表明,本文方法无需耦合剂、对钢轨表面状况要求低,可实现钢轨踏面缺陷的非接触、快速 和准确的检测。     

趣味物理实验四则

我校在开展第二课堂活动中做了许多趣味物理实验。效果很好,现将部分介绍出来,以供参考。 1 纱布“瓶盖” 〔实验〕在酒瓶口扎上一块纱布,然后把酒瓶拿到水龙头下,让水冲在纱布上,水能通过纱布进入酒瓶。当酒瓶里装满水后,将酒瓶倒过来,这时,全是小洞的松散纱布却变得象胶皮一样,一点水也流不出来。     

激光辐照材料表层温升规律的数值模拟

为了在烧蚀机制下的激光超声检测中合理加载激光能量,获得幅值较大的超声信号而不过于损伤被检材料,需要分析激光辐照材料表层的温升规律及激光烧蚀的问题。建立了激光辐照材料的理论模型,激光以热流密度的形式加载于材料表面。结合导热微分方程,将对流传热和辐射传热一同考虑,并在材料表层升温过程中有效处理了相变潜热,对材料表层受激光辐照的温度场进行了数值模拟。给出了激光烧蚀材料有限元分析的程序流程,选择45#钢坯为例进行激光辐照仿真计算,分析了钢坯表层受激光辐照区域、区域下方及区域边界附近节点的温升规律,并对比钢坯受激光辐照的实际烧蚀情况和通过采集激光超声波信号进行了验证。结果表明,数值模拟能够为后续热应力分析中载荷的加载提供依据,并为激光超声检测中激光能量的加载提供了参考。     

钢轨螺孔伤损激光声磁检测系统研究

为检测钢轨螺孔伤损,根据激光声磁技术的基本原理和钢轨螺孔伤损检测的特点,建立了钢轨激光声磁检测系统。通过检测钢轨无伤损螺孔和有上裂伤损螺孔的对比实验,表明本系统能准确检测螺孔上裂伤损。通过小波阈值去噪技术对激光声磁信号进行处理,在保留原始信号各种特征的同时大大提高了信噪比(SNR)。实验结果表明,本文方法无需耦合剂,对钢轨表面状况要求低,可实现钢轨螺孔伤损非接触、快速和准确的检测。