Математичне моделювання фототеплових процесів для неруйнівної діагностики матеріалів

Abstract

Розроблено неруйнівний високочутливий метод визначення оптичних і теплофізичних характеристик матеріалів, який базується на реєстрації фотостимульованих змін у досліджуваних зразках під дією потужного лазерного випромінювання. Для реалізації методу побудовано математичну модель, яка дозволяє числовими методами досліджувати взаємозв’язані температурні поля та відповідні їм деформації, які виникають під дією лазерного випромінювання з довільними його просторово-часовими розподілами, за урахування поверхневого й об’ємного поглинання в матеріалі, а також особливостей тепловідведення від зразка. Принцип визначення невідомого параметра полягає у тому, що експериментально реєструється теплове поле (чи поле деформацій) на поверхні опромінюваного зразка, а далі змодельоване поле температур із допомогою математичних методів оптимізації наближають до експериментально зареєстрованого. Для реєстрації теплових полів і поверхневих деформацій запропоновані оптичні схеми, які базуються на методах лазерної та спекл-інтерферометрії.

The highly sensitive non-destructive method to determine the optical and thermophysical characteristics of materials was developed. This method is based on registration of photostimulated changes in investigated samples under powerful laser emission. The interconnected mathematical model is constructed. This model allows the modeling by numerical methods of thermal fields and respective deformations, which appear under laser emission with an arbitrary space-time distributions, with account of surface and volume absorption in the material and also heat rejection from a sample. The principle of determination of the unknown parameter consists in the following: a thermal field (or field of deformation) is registered experimentally on the surface of the illuminated sample, then the simulated field of temperatures, using optimization mathematical methods is approximated to that experimentally registered. The optical charts for experimental registration of thermal fields and surface deformations, which are based on the laser and specl interferometry are proposed.

Разработан неразрушающий высокочувствительный метод определения оптических и теплофизических характеристик материалов, базирующийся на регистрации фотостимулированных изменений в исследуемых образцах под действием мощного лазерного излучения. Для реализации метода создана математическая модель, позволяющая численными методами моделировать температурные поля и соответствующие им деформации, возникающие в исследуемых образцах под действием мощного лазерного излучения с произвольными пространственно-временными распределениями, с учетом поверхностного и объемного поглощения в материале, а также особенностей теплоотвода от образца. Принцип определения неизвестного параметра состоит в том, что экспериментально регистрируется температурное поле (или поле деформаций) на поверхности облучаемого образца, а затем смоделированное поле температур с помощью математических методов оптимизации приближают к экспериментально зарегистрированному. Для регистрации температурных полей и поверхностных деформаций предложены оптические схемы, базирующиеся на методах лазерной и спекл-интерферометрии.