激光超声检测蜂窝材料内部缺陷的数值有限元模拟(2)
蜂窝材料的常用检测方法有X射线法[2]、红外热成像法[3]声阻法[4]和CT技术[5]等。X射线法检测直观可靠，但是设备庞大，价格高昂，且X射线对人体有伤害。红外热成像法具有非接触、实时、高效的特点，借助于物体的热辐射得到物体的热图来判别是否存在缺陷，但是受周围的温度影响较大。声阻法检测构件爱你冲击损伤时，具有一定的局限性。CT技术效率低，成本高，双侧透射成像，不适合于平面薄板构建的检测以及大型构件的的现场检测。
而超声具有波长短和方向性强的特点，与障碍物能产生衍射，散射，长久以来一直是无损检测材料内部缺陷，力学性质及为结构的长盛不衰的方法[6].普通超声波方法[7]可以检测出检测出气孔、托粘、夹杂等大部分缺陷，但是常规的超声波法效率太低.而与传统的超声检测方法相比，激光超声检测[8]具有如下的优点：
（1）由于激光超声不需要任何耦合剂，因此，耦合剂的易变性和耦合的可靠性及匹配性问题也不存在，对检测现场和被检测物的温度限制也随之取消。激光超声的脉冲宽度很窄，可达1ns，这一数量级脉冲宽度的频率可达几千兆赫，而相应的波长只有几微米，大大提高了检测微小缺陷的能了。以及可以避免由于耦合剂的使用对材料产生的各种污染；
（2）激光束的优秀品质使得被测超声波场可以不受任何干扰，或者干扰很小，具有极强的抗干扰能力；
（3）常规的超声检测中，超声脉冲是由和试样直接耦合的压电或压磁换能器产生的。由于换能器自身的带宽的限制以及换能器与试样耦合等的影响，不可能产生很窄的单个超声脉冲。激光超声克服了压电换能器超声检测的弊端，激光超声能以非接触方式对物体进行无损检测，激光发射源到被测物体之间的距离可以达到10m，而且激光束的发散很小因而易于实现远距离的遥控激发和接收，并能实现工件的在线检测；
（4）可以通过一玻璃窗口将激光束导入特定的空间，从而使其能方便地应用于高温高压、高湿、有毒、酸碱等检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应的恶劣的环境；
（5）可以在非压电晶体中直接激发超声；
（6）利用锁模激光器很容易获得与激光脉冲宽度相近的超声脉冲，从而使得基于超声衍射方法的缺陷检测技术获得广泛的应用成为现实；
（7）探测激光束可被聚焦成非常小的点，因而即使是常用的激光系统，也能实现微米量级的空间分辨率。
因此，采用激光超声对蜂窝复合材料内部缺陷进行检测。
1.2 检测复合材料内部缺陷的意义
在先进复合材料制造过程中，由于难以对各种工艺参数进行精确控制，导致复合材料结构质量不稳定，具有一定的随机性，缺陷的存在也不可避免；另外在使用过程中的静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变、过热等原因也会引起复合材料中损伤的产生[9]，而损伤的产生、扩展以及积累将会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料的湿热性能大幅度下降，强度与刚度急剧损失，大大的降低结构的使用寿命，有时还可能会造成灾难性的后果[10].因此，在复合材料结构使用前以及使用过程中，对其进行无损检测(NDT)就显得极为重要。其次，航天器发射与运行的高昂成本，要求航天器结构的重量尽可能的轻，要减轻航天复合材料结构的重量，降低制造成本，就必须采用损伤容限设计技术[11]，而对材料中各种缺陷与损伤进行准确的无损检测是实现损伤容限设计的基础和前提。
1.3 本文主要的研究工作
首先，通过查阅国内外文献，了解激光超声在材料中的传播性质以及激光超声无损检测技术。运用有限元方法对脉冲激光辐射在材料上，材料的温升和材料中激发超声波进行计算。其中包含：采用专用的软件，建立激光与材料相互作用的模型，选择有限元单元、，网格的划分，荷载的施加，对结果提取和分析，以及最后得出结论。首先介绍了激光超声的产生机理及激光超声无损检测技术和和激光超声数值模拟。然后构建了单层铝板，完好的铝制蜂窝板及脱粘的铝蜂窝板。通过温度场的分析及时域波形的比较，分析出脱粘蜂窝板的波形与完好蜂窝板的波形，得出结论。