王传勇 卢科青 陈占锋 杨贺

摘 要：超声无损检测课程是机械类和材料检测类专业的重点课程。然而，目前超声无损检测课程教学以基础理论和检测方法讲解为主，教学过程较为枯燥;超声的传播和与缺陷相互作用过程较为抽象，使得学生很难理解和掌握相关概念与方法。将ABAQUS数值仿真技术引入超声无损检测课程教学中，可以很好地解决这些问题。本文以激光超声检测为例，利用ABAQUS数值仿真技术模拟脉冲激光激励超声及其与缺陷相互作用的过程，并将仿真结果可视化，有助于学生对于这一物理过程的理解。

关键词：超声无损检测;ABAQUS;数值仿真;可视化

1、引言

超声波是频率大于20kHz的声波，而声学是物理学中最早深入研究的分支学科之一。近代声学与其他学科相互交叉，在这些领域发挥了重要又独特的作用，并进一步发展了相应的理论和技术，例如超声无损检测检测技术领域。超声具有分辨率高、穿透能力强、成本低、速度快、对人体及环境无害等诸多的优点[1]，被广泛应用于机械零件的检测，也因此成为机械类学科重点课程。

在传统的超声无损检测教学中，教学方式比较死板，不容易调动学生的学习兴趣。而且，停留在PPT上的案例，也无法让学生更加深刻地理解和掌握超声无损检测方法。在已有的研究中，葛伟伟、邓小林等人进行了基于ABAQUS有限元仿真辅助材料力学的教学研究[2];黄学伟研究了ABAQUS软件在材料力学连接件强度计算教学中的应用[3]。因此，本文拟将ABAQUS仿真软件引入超声无损检测课堂，通过模拟超声无损检测过程，将声波传播和与材料缺陷的相互作用过程可视化，帮助学生更好地理解超声无损检测的原理和技术难点。

2、实例建模

2.1 模型介绍

如图2.1所示，仿真模型处于x-y平面，裂纹是由一个空心矩形表示。裂纹的深度、宽度和高度分别为、w和。脉冲激光线源半宽为100μm，激光脉冲的上升时间为1.5ns。为了避免邊界反射波影响裂纹回波信号，和缩小模型以减小模型单元的数量和计算时间，在模型的两侧和底部增加了吸收边界。其中仿真材料设置为铝，其热力学参数详见表格2.1。

2.2 有限元网格划分及时间步长

为了能够精确解析脉冲激光所产生的高频超声，需要较小的计算时间步长和单元尺寸。一般的，单元格尺寸小于波长的的1/20。同时，时间步长还应该小于脉冲激光脉冲上升时间的十分之一，以跟踪脉冲激光与材料作用过程以及确保所激励的超声的精度。

3、结果可视化

如图3.2所示。可以看到纵波和横波作为体波，是以球面波的形式向前传播，且纵波的速度最快。表面波只在材料表面传播，且表面波的颜色最深，其幅值也最大。纵波P最先和缺陷作用，部分能量被缺陷反射形成反射纵波rP，部分能量模态转换为表面波PR，另外还有部分纵波转换为横波PS。

随后，表面波R传播到缺陷处，与缺陷顶端作用，部分能量转换为纵波RP和横波RS。其中RS波以一定角度入射自由表面模态转换为表面波RSR。此外，还有一部分入射表面波会沿着缺陷的长度方向传播，并在缺陷的底端再次发生模态转换，形成横波RRS。最后，当缺陷的尺寸小于表面波波长的两倍时，还会有一部分入射表面波能量直接透射过亚表面裂纹，形成透射表面波tR。

4、结语

通过将ABAQUS数值仿真技术与超声无损检测课程相结合，利用ABAQUS强大的数值仿真功能，为学生的课堂学习提供了生动的动画演示和课堂案例，使学生能更加直观地理解原本枯燥和抽象的超声无损检测基本概念和原理，丰富课堂知识，充实教学内容。将仿真工具引入超声无损检测课堂教学，可以使学生在掌握超声无损检测课程知识的同时提高应用计算机仿真工具的能力，增强学生在社会上的竞争力。

参考文献

[1] 谷艳红， 张振振， 高先和， 石朝毅， 卢军， 张胜， 周泽华. 激光超声结合电磁超声在铝板无损检测中的应用研究[J]. 中国激光， 2020，47（05）：422-428.

[2] 葛伟伟， 马玉华， 邵瑞影， 孙维丽. 基于Abaqus有限元分析软件的材料力学辅助教学[J].电子质量， 2019（08）：4-6.

[3] 黄学伟. ABAQUS软件在材料力学连接件强度计算教学中的探索[J].当代教育实践与教学研究， 2018（06）：202-203.

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）