高温下表面波测量亚表面缺陷宽度的数值模拟

为了实现激光超声技术对不同温度下亚表面缺陷宽度的定量检测,本文采用了有限元法模拟了激光激发表面波与亚表面缺陷的作用,并提出了一种利用表面波定量计算亚表面缺陷宽度的方法。首先在亚表面缺陷的一侧产生表面波,然后在另一侧产生表面波,最后分别在两侧检测到来自在亚表面缺陷的入射和反射表面波。当亚表面缺陷处于一个表面波波长的作用范围内时,基于入射和反射表面波的到达时间可实现计算亚表面缺陷宽度。数值结果与理论结果吻合良好,为高温下采用激光超声技术定量计算亚表面缺陷宽度提供了一种十分有效的数值方法。     

基于激光超声在高温下对超声波声速的数值模拟

超声波声速对于缺陷检测和材料特性表征有着直接影响,因此,研究不同温度下声速的变化规律十分重要。本文通过有限元法对不同温度下激光点源激发的纵波、横波、声表面波的传播速度进行了数值模拟,并得到纵波、横波、声表面波声速与温度的关系式。根据所得到的表达式,反推出了在高温下的泊松比与弹性模量。结果表明:纵波、横波、声表面波声速随温度升高呈现线性降低关系,且随温度的变化率分别为0.8374 m·s-1· ℃-1、1.203 m·s-1· ℃-1、1.096 m·s-1· ℃-1。根据所得到声速与温度的表达式反推出高温下的弹性模量、泊松比,通过与理论值比较发现误差分别为3.16%、4%。     

激光激发表面波测量表面缺陷深度的数值研究

为了研究声表面波与表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对表面微缺陷定量检测,本文采用有限元法首先分别研究了声表面波与缺陷前沿、缺陷后沿的作用,然后讨论了缺陷宽度的存在对缺陷前沿与声表面波作用的影响,最后通过分析矩形缺陷与声表面波的作用,给出了能定量表征表面缺陷的特征量。研究结果表明:RS波(特征点Q)后的振荡信号(特征点W、E)来源于透射表面波在缺陷后沿所产生的振荡。特征点Q的到达时间随表面缺陷深度或宽度增大都呈现微小的线性增长；特征点W、E的到达时间差随表面缺陷深度的增大呈线性增长,与缺陷宽度的变化无关。最后,根据特征点的到达时间实现了缺陷深度的定量计算。研究结果为表面缺陷的定量检测提供了理论依据。     

基于螺旋扫描的表面三维形貌快速测量

为实现精密表面三维形貌的快速测量,提出一种螺旋式扫描测量方法.首先,基于x、y、z向直线运动平台、DD马达旋转平台以及激光位移传感器,搭建三维形貌测量系统,其中被测试件表面形貌的平面位置信息通过x向平台与DD马达同步运动所形成的螺旋扫描运动来获得,被测试件表面形貌的高度信息由激光位移传感器来获得;然后,基于所搭建的测量系统,对表面形貌为凸凹扇形的圆形试件的表面进行测量.结果表明:测量直径为15 mm的圆形区域所用的时间为420 s,能较好地实现被测试件表面形貌的快速测量.     

压电尺蠖直线电机的设计

为实现大行程、高分辨率精密驱动,该文提出了一种压电尺蠖直线电机的设计方法。首先,基于尺蠖运动原理,对电机进行了结构设计,它包括左、右箝位机构、驱动机构和输出轴,左、右箝位机构结构相同,用来对输出轴交替箝位与释放,驱动机构可以微米级及纳米级地步进输出位移,在左、右箝位机构及驱动机构的共同作用下,输出轴可连续输出大行程直线位移,该电机结构简单紧凑,便于调节,并可断电自锁;其次,采用有限元法对箝位机构及驱动机构进行了仿真分析,初步获得了电机的静、动态特性;最后,基于所搭建的实验系统,对电机的静、动态特性进行了测试。结果表明,在5mm的运动范围内,电机输出位移具有良好的直线性;在50 Hz的驱动电压作用下,电机运动速度为59.1μm/s;电机输出位移具有较高的分辨率,达到21nm。     

基于结构一体化的压电尺蠖直线电机设计

为使装配与调节过程易于实现,基于结构一体化思想设计了压电尺蠖直线电机。首先,采用三角放大结构对箝位机构进行了设计,并采用柔性薄板和柔性折叠梁对驱动机构进行了设计,所设计电机的箝位机构与驱动机构被集成为一体,可降低对机体加工与装配的精度要求;其次,采用有限元法对电机的位移放大倍数、应力与模态进行了分析;最后对电机的静、动态特性分别进行了测试。结果表明,电机位移具有良好的线性,最大单步位移为8.24μm,电机的分辨率为10 nm,最大运动速度为0.17 mm/s。