Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Mohsen Badrosamay
محمد مشایخی (استاد راهنما) محسن بدرسمای (استاد راهنما)
 
STUDENT
Peyman Soltani
پیمان سلطانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Simulation of Ultrasonic Waves Generated by Laser and Evaluation of Laser Parameters Effects on Ultrasonic Waves
Ultrasound waves are mechanical waves which their frequency is higher than 20 kHz. These waves are generated in different ways. The most common ways are Mechanical, Piezoelectric and Magnetostriction. The most important of their deficiencies can be mentioned to the contact and the sample must be completely available. Therefore, it needs to have a non-contact method which uses in inaccessible and hot areas, for example. The technique to improve this problem is laser ultrasonics technique (LUT). Laser ultrasonics includes those technique which use lasers to generate and to detect ultrasonic waves in materials. This technique allows remote testing of materials in environment where other ultrasonic testing technique might yield unsatisfactory results. This technique allows iecting large structures. The generated ultrasound wave form is affected by features of laser pulse (wavelength, pulse duration, intensity). Since the laser beam is used to generate and receive ultrasound signals, it doesn’t need to any mechanical contact. The Only need to generate an ultrasound wave in a sample is accessible of laser beam. Moreover, another advantage of laser-ultrasonics technique is to generate ultrasonic waves simultaneously. In general, mechanisms for generation of ultrasound wave depend on the power density of laser are 115%; MARGIN: 0cm 0cm 0pt; mso-layout-grid-align: none" The main objective of this dissertation is to investigate the laser ultrasonics technique in order to achieve a deeper understanding of the process as a non-destructive method for iecting materials. To achieve the goal, laser generated ultrasonic waves are simulated in a virtual environment (software) in terms of temperature and displacement. In the present study, the temperature dependence of the material and laser parameters (rise time and beam spot size of laser) on the ultrasonic waves that are generated by a pulsed laser are investigated in an aluminum plate by finite element method. At first, the transient temperature field can be precisely calculated by using the finite element method. Heat flux is applied on the surface of sample by a subroutine which called DFlux. Meanwhile, the heat flux has Gaussian type. Then, laser generated surface acoustic wave forms are calculated in an aluminium plate. In this simulation the sequential field coupling is used. Simulation results show that the laser parameters have a significant influence on the ultrasound waves and will be able to be utilized to choose best experimental parameters of laser. Next, ablation mechanism is simulated and the results of interest are obtained. In this mechanism the surface pressure resulting from plasma formation serves as a source for ultrasonic wave generation. In continuous, the results are compared with experimental results. Finally, the available experimental systems are introduced and evaluation of surface and internal defects using time of flight diffraction procedure (TOFD) is presented and a new method for evaluation of internal defects in the sample will be offered. To evaluate the accuracy of the results, the results of the simulation are compared with experimental results. Keywords: ultrasonic waves, laser-generated ultrasound, thermoelastic mechanism, ablation mechanism, finite element method.
: امواج فراصوت دسته ای از موج های مکانیکی هستند که بسامد آ ن ها بیش از20 کیلوهرتز است. این امواج به روش های مختلفی تولید می شوند که از رایج ترین آن ها می توان به روش های مکانیکی، پیزوالکتریک و الاستیسیته مغناطیسی اشاره نمود. از مهم ترین نواقص مشترک این روش ها می توان به تماسی بودن آن ها اشاره نمود و اینکه نمونه باید کاملاً قابل دسترس باشد. بنابراین، نیاز به یک روش غیرتماسی را ایجاب می کند که در نواحی غیرقابل دسترس و برای نمونه های داغ از آن استفاده گردد. روشی که در حال حاضر برای رفع چنین مشکلی ارایه شده روش لیزر- فراصوت (Laser-Ultrasonics Technique) است. در روش تولید امواج فراصوت به وسیله لیزر از انرژی لیزر برای تولید امواج فراصوت در مواد مختلف استفاده می شود. از آنجایی که از پرتو لیزر برای تولید و دریافت امواج استفاده می شود، نیاز به هیچ گونه اتصال مکانیکی با نمونه نیست. تنها نیاز برای تولید فراصوت در یک نمونه قابل دسترس بودن پرتو لیزر است. همچنین دیگر مزیت این روش تولید امواج فراصوت به طور همزمان است. به طور کلی دو مکانیزم در این روش برای تولید موج فراصوت است که بسته به چگالی توان لیزر به دو مکانیزم ترموالااستیک و مکانیزم برش تقسیم بندی می شوند. هدف اصلی در این پایان نامه مطالعه تولید امواج فراصوت به وسیله لیزر به منظور دست یابی به درک عمیق تری از این فرایند به عنوان یک روش غیر مخرب برای بازرسی مواد است. جهت نیل به هدف فوق انتشار امواج فراصوت به وسیله لیزر در یک محیط مجازی حاصل از میدان دمایی و جابجایی شبیه سازی شده است. در تحقیق حاضر، مطالعه وابستگی دمایی پارامترهای ترموفیزیکی ماده و بررسی پارامترهای لیزر بر امواج صوتی سطحی تولید شده به وسیله لیزر در ورق های آلومینیوم با انجام یک تحلیل ترموالاستیک به صورت عددی محاسبه شده است. در این پایان نامه، به روش اجزای محدود، میدان دمایی و جابجایی حاصل از امواج فراصوت تولید شده به وسیله لیزر شبیه سازی شده است. برای این هدف ابتدا میدان دما با استفاده از روش اجزای محدود محاسبه شده است و شار حرارتی به کمک یک زیربرنامه به مدل اعمال گشته است. در ضمن، شار حرارتی اعمالی از نوع گوسی است. سپس امواج صوتی سطحی در ورق آلومینیوم حاصل از میدان دمایی محاسبه خواهند شد. در این شبیه سازی از روش کوپلینگ میدان های متوالی استفاده شده است. در ادامه مکانیزم برش که برای کاربردهای خاص و مواردی که آسیب در سطح نمونه اهمیت نداشته باشد، مدل شده و نتایج مربوط به آن استخراج می شود. در ادامه ضمن ارایه یک سیستم تجربی مرتبط، نحوه ارزیابی عیوب سطحی و داخلی به روش انکسار زمان پرواز (Time of Flight Diffraction) ارایه گشته و روشی برای یافتن عیب داخلی در نمونه ارایه می شود. جهت ارزیابی صحت نتایج به دست آمده، نتایج حاصل از شبیه سازی مدل فوق با نتایج حاصل از نتایج عددی دیگر مراجع معتبر مقایسه شده است. بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که امواج صوتی سطحی به تغییرات پارامترهای لیزر از جمله زمان تاخیر پالس لیزر و شعاع پرتو لیزر حساس بوده و می توان به کمک شبیه سازی انجام شده بهترین پارامترهای آزمایشی را برای لیزر انتخاب نمود. کلمات کلیدی: امواج فراصوت، تولید امواج فراصوت به وسیله لیزر، مکانیزم ترموالاستیک، مکانیزم برش، روش اجزای محدود

ارتقاء امنیت وب با وف بومی