含微裂紋結構的超聲非線性檢測機理與表征.pdf

1、常規(guī)的無損檢測技術，如超聲檢測、射線檢測、聲發(fā)射檢測和小波診斷技術等，由于其檢測精度和靈敏度的限制，因而難以使用上述手段對材料的早期性能退化進行定量的檢測和評估。然而，隨著電子技術和相關理論的迅速發(fā)展，超聲非線性檢測技術已經得到越來越多的關注和應用。大量的實驗證明，材料本構關系中的非線性彈性行為來源于材料微觀結構，如微裂紋、位錯和析出相等。而超聲非線性檢測技術基于測量彈性波通過含非線性彈性材料所產生的高階諧波，并以聲學手段提取材料非線性

2、特征，用于無損評估材料的損傷狀態(tài)。超聲非線性檢測技術對空間尺寸遠小于超聲波波長的材料微觀結構特征有足夠的靈敏度，因此廣泛應用于疲勞損傷、時效等材料早期性能退化的檢測和評估。尤其近年來工程領域中更加關注疲勞導致的材料早期損傷。微裂紋與疲勞損傷密切相關，然而對于微裂紋的超聲非線性機理的理論研究還存在欠缺。本文主要針對隨機分布微裂紋與材料彈性常數的關系、隨機分布微裂紋與超聲非線性系數的定量關系、共軸同向混合波方法檢測超聲非線性的數值和實驗研究

3、等幾個重要問題，進行理論分析、數值模擬和實驗驗證。
　　本文重點研究含微裂紋結構在波動條件下的力學行為。為了研究微裂紋與超聲非線性系數之間的定量關系，基于雙線性剛度模型，本文首先研究含微裂紋結構的有效拉伸/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獲得相應的動態(tài)修正系數，進而得到單條裂紋的裂紋張開位移動態(tài)理論解。然后基于該動態(tài)理論解，并結合細觀力學中的稀疏理論和自洽理論，推導出含隨機分布的二

4、維Griffith裂紋和三維幣形裂紋結構的動態(tài)有效拉伸/壓縮模量理論解。通過理論解可以看出:含微裂紋結構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;而有效壓縮模量不僅與裂紋密度相關，還與裂紋面摩擦系數相關。進一步還通過有限元方法建立相應的隨機裂紋數值仿真模型，計算相應的靜態(tài)和動態(tài)有效模量，結果表明:稀疏理論解與數值模擬結果更為接近。
　　通過Heaviside函數引入上述不等的有效拉伸和壓縮模量理論解，并基于波動方程

5、的格林函數方法，本文推導了一維平面縱波在含微裂紋結構中傳播的理論解，建立了超聲非線性系數與微裂紋之間的定量關系。結果表明: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值模擬得到超聲波通過含微裂紋結構時產生的高階諧波，數值模擬結果與理論解非常接近。本文提出的含微裂紋結構的超聲非線性理論模型為定量評估微裂紋特征提供了必要的理論依據。
　　在明確了微裂紋對超聲非線性檢測的影響機理

6、后，從應用角度考慮，本文還深入研究了共軸同向混合波技術。通過有限元數值模擬和實驗測量的手段，考慮了共軸同向混合波超聲非線性檢測方法實際應用中偏離共振條件和準共軸狀態(tài)的影響。結果表明: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，與混合位置無關;由于準共軸狀態(tài)會導致共振波主軸與水平軸之間存在一個特殊的角度，進一步使得雙晶超聲波探頭接收到的共振波信號幅值隨混合位置的增加而線性