王传勇 杨大兴 陈占锋 杨贺

摘 要：随着激光技术的日益发展，激光超声无损检测逐渐进入工科学生课堂，然而由于相关知识点晦涩难懂，学生较难理解和掌握相关概念。本文探索利用ABAQUS对激光超声激励过程进行数值仿真，并对结果进行可视化，以增强学生的理解，提高教学的效果。

关键词：激光超声;数值仿真;可视化;教学效果

一、引言

随着工业技术的发展，各种金属以及复合材料被广泛应用于航空航天、机械制造等领域。这些材料在制造或者服役的过程中，在材料表面产生微裂纹。这些微裂纹不仅会影响材料的性能，还可能会引发材料断裂等严重后果，威胁人们的生命财产安全。因此，针对材料表面早期微裂纹的检测识别，具有重大的安全与经济需求。

现有的无损检测技术主要包括磁粉检测法、涡流检测法、射线检测法、渗透检测法和激光超声检测法。每种技术都有其自身的特点，而激光超声检测适用于多种材料，对微小裂纹的检测灵敏度高，穿透性强，检测速度快，这也使得激光超声检测越来越得到无损检测领域的认可[1]。同时，也逐渐走进大学工科专业课堂。

然而实际的激光超声实验研究，需要购买实验设备，搭建实验平台，成本大，耗时长，不能作为学生的实验手段。而相较于实际的激光超声实验，数值仿真通用性强、方便灵活、可重复性等优点[2]，为激光超声无损检测研究提供了一种新的解决手段。借助ABAQUS强大的仿真功能，可以使学生更好的理解和验证激光超声在被检测件中的传播，增强激光超声无损检测课堂教学效果。

二、ABAQUS软件概述

ABAQUS软件是由法国达索SIMULIA公司开发的一款数值仿真软件，功能强大，不仅可以对复杂的结构系统进行力学和运动分析，还可以解决各种复杂的非线性问题[3]。

ABAQUS软件除了拥有着极其丰富的材料属性库，能够实现对多种材料的模拟，还拥有着强大的系统级数值仿真分析能力，不仅能够实现对静态、准静态等类型的仿真分析，还能够对流固耦合、压电、热电和质量扩散等进行有效分析[4]。虽然ABAQUS进入我国较晚，但是其率先采用用户接口程序[5]，允许用户在找不到合适模型的时候，能够自定义材料模型、材料属性和单元条件等各个部分，因此在国内快速发展。

三、实例分析

（一）建立模型

激光超声的激励激光为线源激光，沿y轴正向入射材料表面，线源激光与z轴平行，脉冲激光束为高斯能量分布，被测工件材料为铝。

考虑线源为无限长，且材料为各向同性，假设表面裂纹在z轴方向为无限长，如图一所示，则可以将三维激光超声仿真模型简化为平面二维模型，大大减小仿真模型的计算量，缩短仿真时间。

在ABAQUS中建立的仿真模型，模型长26mm，高16mm。本模型采用热弹机制激励超声波，为了取得波传播较好的空间分辨率，有限元单元格尺寸需要小于波长的1/20，如式（1）、式（2）所示：

其中是时间步长，为单元格尺寸，和分别為超声最大频率及其对应的最小波长。本文采用脉冲激光上升时间为1.5ns，时间步长和有限元网格尺寸设置为0.1ns和20μm。

（二）仿真结果分析

纵波传播速度约为6000m/s，传播速度最快，因此相同时间下传播距离最远。横波传播速度约为3100m/s，表面波传播速度约为2900m/s，速度相差不大，因此相同时间下，传播距离接近。但横波会以大致30°角入射工件内部，而表面波仅沿着工件表面传播，能量最大。仿真能量云图如图二所示，与已知理论结果基本一致。

四、结语

通过ABAQUS数值仿真脉冲激光激励超声波的物理过程，并将结果可视化，能够直接明了的展示和验证激光超声波的激励过程，帮助学生理解其中的激励机理和传播规律，对于提升激光超声教学效果具有重要意义。

参考文献

[1] 生利英. 超声波检测技术[M]. 化学工业出版社， 2014.

[2] 王勖成.有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社，2009：1-12.

[3] 庄 茁.基于ABAQUS 的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

[4] 马晓峰. ABAQUS6.11有限元分析从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社，2013.

[5] 李晓蓉， 冯永存. “海洋油气工程岩石力学基础”教改探索--数值仿真实验的应用[J]. 教育教学论坛， 2022（1）：4.

基金项目： 杭州电子科技大学教育教学改革研究资助项目（项目名称：基于慕课和混合课堂的工程制图课程教学模式研究，项目编号：YBJG202225）、浙江省属高校基本科研业务费专项（项目编号：GK219909299001-020）