含微裂紋結(jié)構(gòu)的超聲非線性檢測(cè)機(jī)理與表征.pdf

1、常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)，如超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)和小波診斷技術(shù)等，由于其檢測(cè)精度和靈敏度的限制，因而難以使用上述手段對(duì)材料的早期性能退化進(jìn)行定量的檢測(cè)和評(píng)估。然而，隨著電子技術(shù)和相關(guān)理論的迅速發(fā)展，超聲非線性檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。大量的實(shí)驗(yàn)證明，材料本構(gòu)關(guān)系中的非線性彈性行為來源于材料微觀結(jié)構(gòu)，如微裂紋、位錯(cuò)和析出相等。而超聲非線性檢測(cè)技術(shù)基于測(cè)量彈性波通過含非線性彈性材料所產(chǎn)生的高階諧波，并以聲學(xué)手段提取材料非線性

2、特征，用于無損評(píng)估材料的損傷狀態(tài)。超聲非線性檢測(cè)技術(shù)對(duì)空間尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)的材料微觀結(jié)構(gòu)特征有足夠的靈敏度，因此廣泛應(yīng)用于疲勞損傷、時(shí)效等材料早期性能退化的檢測(cè)和評(píng)估。尤其近年來工程領(lǐng)域中更加關(guān)注疲勞導(dǎo)致的材料早期損傷。微裂紋與疲勞損傷密切相關(guān)，然而對(duì)于微裂紋的超聲非線性機(jī)理的理論研究還存在欠缺。本文主要針對(duì)隨機(jī)分布微裂紋與材料彈性常數(shù)的關(guān)系、隨機(jī)分布微裂紋與超聲非線性系數(shù)的定量關(guān)系、共軸同向混合波方法檢測(cè)超聲非線性的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究

3、等幾個(gè)重要問題，進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文重點(diǎn)研究含微裂紋結(jié)構(gòu)在波動(dòng)條件下的力學(xué)行為。為了研究微裂紋與超聲非線性系數(shù)之間的定量關(guān)系，基于雙線性剛度模型，本文首先研究含微裂紋結(jié)構(gòu)的有效拉伸/壓縮模量?；趩螚l裂紋的裂紋張開位移靜態(tài)理論解，通過求解彈性波通過單條裂紋的散射場(chǎng)獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)修正系數(shù)，進(jìn)而得到單條裂紋的裂紋張開位移動(dòng)態(tài)理論解。然后基于該動(dòng)態(tài)理論解，并結(jié)合細(xì)觀力學(xué)中的稀疏理論和自洽理論，推導(dǎo)出含隨機(jī)分布的二

4、維Griffith裂紋和三維幣形裂紋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)有效拉伸/壓縮模量理論解。通過理論解可以看出:含微裂紋結(jié)構(gòu)的有效拉伸和壓縮模量不相等，有效拉伸模量只與裂紋密度相關(guān);而有效壓縮模量不僅與裂紋密度相關(guān)，還與裂紋面摩擦系數(shù)相關(guān)。進(jìn)一步還通過有限元方法建立相應(yīng)的隨機(jī)裂紋數(shù)值仿真模型，計(jì)算相應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)有效模量，結(jié)果表明:稀疏理論解與數(shù)值模擬結(jié)果更為接近。
　　通過Heaviside函數(shù)引入上述不等的有效拉伸和壓縮模量理論解，并基于波動(dòng)方程

5、的格林函數(shù)方法，本文推導(dǎo)了一維平面縱波在含微裂紋結(jié)構(gòu)中傳播的理論解，建立了超聲非線性系數(shù)與微裂紋之間的定量關(guān)系。結(jié)果表明:二次諧波幅值與基頻波幅值成正比;超聲非線性系數(shù)正比于有效拉伸模量和有效壓縮模量之差。本文還通過有限元數(shù)值模擬得到超聲波通過含微裂紋結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的高階諧波，數(shù)值模擬結(jié)果與理論解非常接近。本文提出的含微裂紋結(jié)構(gòu)的超聲非線性理論模型為定量評(píng)估微裂紋特征提供了必要的理論依據(jù)。
　　在明確了微裂紋對(duì)超聲非線性檢測(cè)的影響機(jī)理

6、后，從應(yīng)用角度考慮，本文還深入研究了共軸同向混合波技術(shù)。通過有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的手段，考慮了共軸同向混合波超聲非線性檢測(cè)方法實(shí)際應(yīng)用中偏離共振條件和準(zhǔn)共軸狀態(tài)的影響。結(jié)果表明:隨著頻率偏差的增大，共振波波型變化非常明顯，由一個(gè)典型的菱形變?yōu)橐幌盗械牟ò?共振波波型的改變只與頻率偏差相關(guān)，與混合位置無關(guān);由于準(zhǔn)共軸狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致共振波主軸與水平軸之間存在一個(gè)特殊的角度，進(jìn)一步使得雙晶超聲波探頭接收到的共振波信號(hào)幅值隨混合位置的增加而線性