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)，結合有限元數(shù)值方法，建立了各向同性無限長薄板和半無限大材料內激光激發(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產生的瞬態(tài)溫度場分布和激光超聲波的產生和傳播特性。主要研究內容如下:
　　 基于平面應變理論，借鑒電磁學中的PML方法，推導得到PML混合有限元的超聲波控制方程組，并建立了半無限大各向同性材料內高頻彈性波產生和傳播的數(shù)值模型。結果表明PML能有效的吸

2、收或衰減傳播到PML區(qū)域的彈性波，并且在計算時間段內得到的波形圖幾乎沒有任何明顯的受反射波影響。通過與有限元計算結果的分析和比較，驗證了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限長薄板和半無限大材料內激發(fā)超聲波的數(shù)值模型。并基于無限長薄板模型研究了PML參數(shù)的設置問題，數(shù)值模擬結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的選取對模型求解的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。合理的選擇這兩個參數(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。
　　 研究了各向同性無限長薄板中激發(fā)的Lamb波及傳播特征，以及半無限大材料內激發(fā)Rayleigh波和傳播特征，并得到了半無限大材料內激光超聲波的瞬態(tài)波場圖。激光在各向同性無限長薄板中激發(fā)產生的是典型的Lamb波，主要由非色散的對稱模S0和色散的反對稱模A0組成;激光在半無限大材料內同時激發(fā)出縱波、橫波、頭波和Ra

4、yleigh波。與有限元計算的結果比較分析表明:PML混合有限元方法在縮小計算模型的幾何尺寸和節(jié)省計算資源的情況下，有效的模擬無限長薄板和半無限大材料內激光激發(fā)超聲波的產生和傳播特征。
　　 本文的理論和數(shù)值計算模型為研究半無限大材料內的激光超聲提供了可靠的理論依據(jù)和有效的計算方法，為更好的理解半無限大材料內激光超聲的產生和傳播以及識別檢測信號的模態(tài)提供理論依據(jù)。同時為進一步研究微納米材料內的皮秒或飛秒超聲以及各向異性材料內的激