分层介质界面粘结特性的空气耦合超声检测研究

发布时间：2020-08-19 12:01

【摘要】：粘结结构具有优越的减震性、抗疲劳性等优点,被广泛的应用于军工、汽车、航空航天等重要领域,例如,飞机发动机护罩板、飞机机翼扰流板和固体发动机外壳的隔热板等。但由于粘结层的粘结刚度过小而导致的事故时有发生,因此,对粘结界面刚度的测量显得尤为重要。空气耦合超声波检测法具有安全无害、非接触和不破坏被测材料等优点被广泛用于粘结质量检测,但其信噪比低、分辨率低等缺点严重制约其应用。为了提高空气耦合超声检测粘结结构的分辨率,本文主要做了如下工作:首先基于声波的波动方程和粘结界面的简易弹簧模型理论,通过利用超声波在各介质分界面上的位移和应力连续的边界条件,建立了空耦超声波斜入射双层粘结结构中的透射和反射的物理和数学模型。通过数值仿真超声波斜入射到同质等厚粘结板的声波透射系数,分析其透射系数峰值随粘结界面刚度系数的变化,发现如下规律:第一、一部分透射系数峰值随粘结界面法向刚度系数变化而变化,而另一部分透射系数峰值随切向刚度系数变化而变化;第二、透射系数峰值都随界面刚度系数的增大向高频方向移动,且当界面刚度从小到大变化时,其中高频峰值比低频峰值滞后移动;第三、当声波的入射角达到第二临界角时其透射峰值对界面刚度的变化敏感性最高;第四、所有透射峰值随着刚度系数的变化都是先慢后快再慢等刚度系数达到10~(18)N·m~(-3)后基本保持不变;其次对空耦超声波垂直入射双层非等厚异质材料的情况进行数值计算,计算结果表明:第一、声波透射系数峰值也随之粘结界面法向刚度系数的增加而向高频方向移动;第二、透射峰值对界面刚度系数的变化敏感性各有不同;第三:所有峰值移动的起始点都是在其某层板厚度为此板中声波波长的整数倍。第四、当两层粘结板的厚度同为半波长的整数倍时声波在粘结结构中的几乎发生全透射。然后以涂层结构为例,基于声波的波动方程,建立超声波在涂层结构中的声压反射系数模型。基体选用钢、铸铁、铝合金,表面选用不同喷涂工艺得到的Al_2O_3陶瓷涂层为研究对象,获得了不同界面刚度系数的超声反射频谱。仿真结果表明:分离界面和理想界面时,谐振频率都具有周期性,但周期大小不同;弱结合界面时,随着界面的刚度系数逐渐增加,谐振频率逐渐增多,这些谐振频率均向高频方向移动。与频率较高处相比,频率较低处的谐振频率随着刚度系数的增加向高频移动的速度更快。因此建立了第一个谐振频率与刚度系数之间的关系。在同一刚度系数下,由谐振频率与材料的特性阻抗关系获得如下规律:当涂层材料不变时,谐振频率随着基体特性阻抗的增大而增大;当基体材料不变时,谐振频率随着涂层特性阻抗的增大而减小。给出了以指数函数形式拟合的刚度系数与谐振频率的变化曲线。通过对该指数函数参数与材料特性阻抗之间关系的分析,获得了弱界面时谐振频率与刚度系数和材料特性阻抗三者之间的函数表达式。最后搭建了空耦超声检测双层粘结板的实验平台,以复合材料板粘结和有机玻璃板与铝板粘结为例,验证了声波透射峰值随着界面刚度系数变化而变化的规律,实验结果与之前的理论计算结果基本吻合,证明了仿真结果的正确性。这些结论可以为空耦超声波检测粘结结构时的优化检测参数提供理论依据,从而提高检测的分辨率。
【学位授予单位】：景德镇陶瓷大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.285
【图文】：

透射系数,入射角,和频

=0=0zz zwzxz ==0zz zwzxz d 层板的厚度。wzu 为水层沿z 方向的位移，zw 为水3)、式(2-24)、式(2-17)、式(2-25)和式(2-26)可得： 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2cos coscos sin sin ) (2 sin ) sin 2 sin 2 2sin 2 cos 2 cos 2 cos sinT L T T T TL L T TL L L L T L L T T T T L T TL T Tk d ik d ik dL L T Tk k kc k c k c kk k k kk e k e cos cos2 cos 2 2 2 2 cos 2 2 cos 2 2 coscos 2 cos 2cossin ) (2 sin ) sin 2 sin 2sin 2 cos 2T T TL L L L T T T TT L T T T TL L L L TL Tik dT Tik d ik d ik d ik dL T T ik d ik d ik dL Tk e e c k e c k e c k e k e k e 2coscos 2 T T TTik dTk e 2-27）进行数值计算，可以求出不同条件下的透射频厚积时对应的透射系数。在图中颜色越深表示透。纯黑色表示透射系数为 0，白色表示透射系数为近第一临界角时，声波的透射系数逐渐减小，到达第一临界角后逐渐增大。当声波的入射角在 45 度到大。

对比图,粘结界面,刚度系数,透射系数

透射系数与频率和入射角之间的关系((a)KT=1×1020N·m-3,KN=1×1020N·m-3;(b)KT=1×1012N·m-3,KN=1×1020N·m-3;(c)KT=0N·m-3,KN=1×1020N·m-3;(d)KT=1×1020N·m-3,KN=1×1014N·m-3;(e)KT=1×1020N·m-3,KN=0N·m-3).通过对比图3-2(a)、图3-2(b)和图3-2(c)可以发现，图上标注‘An’的曲线没有变化，而图中标注‘Bn’的曲线变化较大

透射峰,透射系数,峰值,刚度变化

i=0°)在图3-3中标注‘d’是用来表示透射峰值从开始移动到最后保持不动总移动距离。d 值的大小可以表示透射峰值整体对界面刚度变化的敏感性，即 d 值越大，表明在法向刚度系数变化相同量时声波的透射峰值移动的距离更大。为了找到在不同入射

【参考文献】