基于PML混合有限元方法模擬研究激光激發(fā)超聲波.pdf

1、基于熱彈性耦合理論，引入理想匹配層(PML)，結(jié)合有限元數(shù)值方法，建立了各向同性無(wú)限長(zhǎng)薄板和半無(wú)限大材料內(nèi)激光激發(fā)超聲波的PML混合有限元數(shù)值模型。數(shù)值模擬研究了激光輻照材料在材料內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布和激光超聲波的產(chǎn)生和傳播特性。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 基于平面應(yīng)變理論，借鑒電磁學(xué)中的PML方法，推導(dǎo)得到PML混合有限元的超聲波控制方程組，并建立了半無(wú)限大各向同性材料內(nèi)高頻彈性波產(chǎn)生和傳播的數(shù)值模型。結(jié)果表明PML能有效的吸

2、收或衰減傳播到PML區(qū)域的彈性波，并且在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)得到的波形圖幾乎沒(méi)有任何明顯的受反射波影響。通過(guò)與有限元計(jì)算結(jié)果的分析和比較，驗(yàn)證了PML混合有限元方法的正確性及有效性。
　　 基于PML混合有限元方法，分別建立了激光在各向同性無(wú)限長(zhǎng)薄板和半無(wú)限大材料內(nèi)激發(fā)超聲波的數(shù)值模型。并基于無(wú)限長(zhǎng)薄板模型研究了PML參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題，數(shù)值模擬結(jié)果表明這種混合有限元方法求解的精度主要受PML的外邊界反射率R影響，而PML區(qū)域的特征尺寸參數(shù)

3、L的選取對(duì)模型求解的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。合理的選擇這兩個(gè)參數(shù)能夠即保證模型求解的精度又保證模型求解的穩(wěn)定性。
　　 研究了各向同性無(wú)限長(zhǎng)薄板中激發(fā)的Lamb波及傳播特征，以及半無(wú)限大材料內(nèi)激發(fā)Rayleigh波和傳播特征，并得到了半無(wú)限大材料內(nèi)激光超聲波的瞬態(tài)波場(chǎng)圖。激光在各向同性無(wú)限長(zhǎng)薄板中激發(fā)產(chǎn)生的是典型的Lamb波，主要由非色散的對(duì)稱(chēng)模S0和色散的反對(duì)稱(chēng)模A0組成;激光在半無(wú)限大材料內(nèi)同時(shí)激發(fā)出縱波、橫波、頭波和Ra

4、yleigh波。與有限元計(jì)算的結(jié)果比較分析表明:PML混合有限元方法在縮小計(jì)算模型的幾何尺寸和節(jié)省計(jì)算資源的情況下，有效的模擬無(wú)限長(zhǎng)薄板和半無(wú)限大材料內(nèi)激光激發(fā)超聲波的產(chǎn)生和傳播特征。
　　 本文的理論和數(shù)值計(jì)算模型為研究半無(wú)限大材料內(nèi)的激光超聲提供了可靠的理論依據(jù)和有效的計(jì)算方法，為更好的理解半無(wú)限大材料內(nèi)激光超聲的產(chǎn)生和傳播以及識(shí)別檢測(cè)信號(hào)的模態(tài)提供理論依據(jù)。同時(shí)為進(jìn)一步研究微納米材料內(nèi)的皮秒或飛秒超聲以及各向異性材料內(nèi)的激