ABAQUS數值仿真在超聲無損檢測教學中的應用

王傳勇 盧科青 陳占鋒 楊賀

摘 要：超聲無損檢測課程是機械類和材料檢測類專業的重點課程。然而，目前超聲無損檢測課程教學以基礎理論和檢測方法講解為主，教學過程較為枯燥;超聲的傳播和與缺陷相互作用過程較為抽象，使得學生很難理解和掌握相關概念與方法。將ABAQUS數值仿真技術引入超聲無損檢測課程教學中，可以很好地解決這些問題。本文以激光超聲檢測為例，利用ABAQUS數值仿真技術模擬脈沖激光激勵超聲及其與缺陷相互作用的過程，并將仿真結果可視化，有助于學生對于這一物理過程的理解。

關鍵詞：超聲無損檢測;ABAQUS;數值仿真;可視化

1、引言

超聲波是頻率大于20kHz的聲波，而聲學是物理學中最早深入研究的分支學科之一。近代聲學與其他學科相互交叉，在這些領域發揮了重要又獨特的作用，并進一步發展了相應的理論和技術，例如超聲無損檢測檢測技術領域。超聲具有分辨率高、穿透能力強、成本低、速度快、對人體及環境無害等諸多的優點[1]，被廣泛應用于機械零件的檢測，也因此成為機械類學科重點課程。

在傳統的超聲無損檢測教學中，教學方式比較死板，不容易調動學生的學習興趣。而且，停留在PPT上的案例，也無法讓學生更加深刻地理解和掌握超聲無損檢測方法。在已有的研究中，葛偉偉、鄧小林等人進行了基于ABAQUS有限元仿真輔助材料力學的教學研究[2];黃學偉研究了ABAQUS軟件在材料力學連接件強度計算教學中的應用[3]。因此，本文擬將ABAQUS仿真軟件引入超聲無損檢測課堂，通過模擬超聲無損檢測過程，將聲波傳播和與材料缺陷的相互作用過程可視化，幫助學生更好地理解超聲無損檢測的原理和技術難點。

2、實例建模

2.1 模型介紹

如圖2.1所示，仿真模型處于x-y平面，裂紋是由一個空心矩形表示。裂紋的深度、寬度和高度分別為、w和。脈沖激光線源半寬為100μm，激光脈沖的上升時間為1.5ns。為了避免邊界反射波影響裂紋回波信號，和縮小模型以減小模型單元的數量和計算時間，在模型的兩側和底部增加了吸收邊界。其中仿真材料設置為鋁，其熱力學參數詳見表格2.1。

2.2 有限元網格劃分及時間步長

為了能夠精確解析脈沖激光所產生的高頻超聲，需要較小的計算時間步長和單元尺寸。一般的，單元格尺寸小于波長的的1/20。同時，時間步長還應該小于脈沖激光脈沖上升時間的十分之一，以跟蹤脈沖激光與材料作用過程以及確保所激勵的超聲的精度。

3、結果可視化

如圖3.2所示。可以看到縱波和橫波作為體波，是以球面波的形式向前傳播，且縱波的速度最快。表面波只在材料表面傳播，且表面波的顏色最深，其幅值也最大。縱波P最先和缺陷作用，部分能量被缺陷反射形成反射縱波rP，部分能量模態轉換為表面波PR，另外還有部分縱波轉換為橫波PS。

隨后，表面波R傳播到缺陷處，與缺陷頂端作用，部分能量轉換為縱波RP和橫波RS。其中RS波以一定角度入射自由表面模態轉換為表面波RSR。此外，還有一部分入射表面波會沿著缺陷的長度方向傳播，并在缺陷的底端再次發生模態轉換，形成橫波RRS。最后，當缺陷的尺寸小于表面波波長的兩倍時，還會有一部分入射表面波能量直接透射過亞表面裂紋，形成透射表面波tR。

4、結語

通過將ABAQUS數值仿真技術與超聲無損檢測課程相結合，利用ABAQUS強大的數值仿真功能，為學生的課堂學習提供了生動的動畫演示和課堂案例，使學生能更加直觀地理解原本枯燥和抽象的超聲無損檢測基本概念和原理，豐富課堂知識，充實教學內容。將仿真工具引入超聲無損檢測課堂教學，可以使學生在掌握超聲無損檢測課程知識的同時提高應用計算機仿真工具的能力，增強學生在社會上的競爭力。

參考文獻

[1] 谷艷紅， 張振振， 高先和， 石朝毅， 盧軍， 張勝， 周澤華. 激光超聲結合電磁超聲在鋁板無損檢測中的應用研究[J]. 中國激光， 2020，47（05）：422-428.

[2] 葛偉偉， 馬玉華， 邵瑞影， 孫維麗. 基于Abaqus有限元分析軟件的材料力學輔助教學[J].電子質量， 2019（08）：4-6.

[3] 黃學偉. ABAQUS軟件在材料力學連接件強度計算教學中的探索[J].當代教育實踐與教學研究， 2018（06）：202-203.

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）