ABAQUS在激光超聲教學中的應用

王傳勇 楊大興 陳占鋒 楊賀

摘 要：隨著激光技術的日益發展，激光超聲無損檢測逐漸進入工科學生課堂，然而由于相關知識點晦澀難懂，學生較難理解和掌握相關概念。本文探索利用ABAQUS對激光超聲激勵過程進行數值仿真，并對結果進行可視化，以增強學生的理解，提高教學的效果。

關鍵詞：激光超聲;數值仿真;可視化;教學效果

一、引言

隨著工業技術的發展，各種金屬以及復合材料被廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。這些材料在制造或者服役的過程中，在材料表面產生微裂紋。這些微裂紋不僅會影響材料的性能，還可能會引發材料斷裂等嚴重后果，威脅人們的生命財產安全。因此，針對材料表面早期微裂紋的檢測識別，具有重大的安全與經濟需求。

現有的無損檢測技術主要包括磁粉檢測法、渦流檢測法、射線檢測法、滲透檢測法和激光超聲檢測法。每種技術都有其自身的特點，而激光超聲檢測適用于多種材料，對微小裂紋的檢測靈敏度高，穿透性強，檢測速度快，這也使得激光超聲檢測越來越得到無損檢測領域的認可[1]。同時，也逐漸走進大學工科專業課堂。

然而實際的激光超聲實驗研究，需要購買實驗設備，搭建實驗平臺，成本大，耗時長，不能作為學生的實驗手段。而相較于實際的激光超聲實驗，數值仿真通用性強、方便靈活、可重復性等優點[2]，為激光超聲無損檢測研究提供了一種新的解決手段。借助ABAQUS強大的仿真功能，可以使學生更好的理解和驗證激光超聲在被檢測件中的傳播，增強激光超聲無損檢測課堂教學效果。

二、ABAQUS軟件概述

ABAQUS軟件是由法國達索SIMULIA公司開發的一款數值仿真軟件，功能強大，不僅可以對復雜的結構系統進行力學和運動分析，還可以解決各種復雜的非線性問題[3]。

ABAQUS軟件除了擁有著極其豐富的材料屬性庫，能夠實現對多種材料的模擬，還擁有著強大的系統級數值仿真分析能力，不僅能夠實現對靜態、準靜態等類型的仿真分析，還能夠對流固耦合、壓電、熱電和質量擴散等進行有效分析[4]。雖然ABAQUS進入我國較晚，但是其率先采用用戶接口程序[5]，允許用戶在找不到合適模型的時候，能夠自定義材料模型、材料屬性和單元條件等各個部分，因此在國內快速發展。

三、實例分析

（一）建立模型

激光超聲的激勵激光為線源激光，沿y軸正向入射材料表面，線源激光與z軸平行，脈沖激光束為高斯能量分布，被測工件材料為鋁。

考慮線源為無限長，且材料為各向同性，假設表面裂紋在z軸方向為無限長，如圖一所示，則可以將三維激光超聲仿真模型簡化為平面二維模型，大大減小仿真模型的計算量，縮短仿真時間。

在ABAQUS中建立的仿真模型，模型長26mm，高16mm。本模型采用熱彈機制激勵超聲波，為了取得波傳播較好的空間分辨率，有限元單元格尺寸需要小于波長的1/20，如式（1）、式（2）所示：

其中是時間步長，為單元格尺寸，和分別為超聲最大頻率及其對應的最小波長。本文采用脈沖激光上升時間為1.5ns，時間步長和有限元網格尺寸設置為0.1ns和20μm。

（二）仿真結果分析

縱波傳播速度約為6000m/s，傳播速度最快，因此相同時間下傳播距離最遠。橫波傳播速度約為3100m/s，表面波傳播速度約為2900m/s，速度相差不大，因此相同時間下，傳播距離接近。但橫波會以大致30°角入射工件內部，而表面波僅沿著工件表面傳播，能量最大。仿真能量云圖如圖二所示，與已知理論結果基本一致。

四、結語

通過ABAQUS數值仿真脈沖激光激勵超聲波的物理過程，并將結果可視化，能夠直接明了的展示和驗證激光超聲波的激勵過程，幫助學生理解其中的激勵機理和傳播規律，對于提升激光超聲教學效果具有重要意義。

參考文獻

[1] 生利英. 超聲波檢測技術[M]. 化學工業出版社， 2014.

[2] 王勖成.有限單元法[M]. 北京：清華大學出版社，2009：1-12.

[3] 莊 茁.基于ABAQUS 的有限元分析和應用[M]. 北京：清華大學出版社，2009.

[4] 馬曉峰. ABAQUS6.11有限元分析從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社，2013.

[5] 李曉蓉， 馮永存. “海洋油氣工程巖石力學基礎”教改探索--數值仿真實驗的應用[J]. 教育教學論壇， 2022（1）：4.

基金項目： 杭州電子科技大學教育教學改革研究資助項目（項目名稱：基于慕課和混合課堂的工程制圖課程教學模式研究，項目編號：YBJG202225）、浙江省屬高校基本科研業務費專項（項目編號：GK219909299001-020）