固体中微结构缺陷的非线性声学建模及检测研究
发布时间：2022-01-07 04:41
有限振幅声波在固体中传播时,会产生波形畸变、谐波滋生等非线性现象。当材料不均匀或存在微缺陷、不完美界面时,非线性效应更为显著。目前非线性超声检测技术已经开始应用于微观结构研究、材料疲劳退化和内部微缺陷的检测和评估。尽管非线性参数可作为检测非线性效应的重要参数,但由于微结构缺陷产生非线性响应的物理机制研究还不够深入,对非线性参量的提取、测量和标定都存在困难和局限。例如:经典非线性物理模型将固体中声波的非线性行为归结为晶体点阵的非简谐性,晶格微结构的错位、扭曲和不连续都会造成或增强非简谐性,但不能解释很多衍生的非线性效应;Hertzian弹性模型建立了部分闭合裂纹界面粗糙峰分布特性与应力-应变的非线性关系,接触非线性模型引入刚度不连续函数,进一步解释了裂纹闭合和张开的转化时产生的次谐波、直流调制等非线性响应,然而对颗粒或非均匀材料中存在滞后和记忆等非经典非线性特性则无法合理解释;Preisach-Mayergoyz（PM）模型从介观角度解释了非经典非线性中应力和应变关系的迟滞特性,认为是所有微观迟滞弹性单元的宏观弹性行为。但该模型仅考虑一维几何结构的情况,对于复杂几何结构,PM空间下非线性...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２位错晶格模型［９］：?（ａ）?—维模型?（ｂ）三维??
?ィ??莘窍咝韵煊??⒘烁斩认凳?胙沽Φ拿萋桑崳?关系这些研究都假定接触表面光滑而无摩擦影响，不考虑界面的微观结构??和接触状态。但现实中材料的接触面非常复杂（如图１．３），弹性和塑性形变都可??能发生，多数并不满足Ｈｅｒｚｔｉａｎ定律的假设条件Ｋｉｍ等研究了粗糙界面处??超声波传播特性，建立了一种描述界面微观形貌特征与接触刚度关系的微观弹塑??性模型［３９］。安志武等利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化［３８］，??建立了界面微观几何特征与劲度系数非对称性的关系，证实了粗糙界面表面几何??特征和劲度系数的变化是接触界面处非线性响应产生的主要原因。???参考平面１???参考平面２??图１．３接触界面的微观示意图［４６］??不完美接触界面的非线性行为不仅与界面粗糙度有关，而且与界面间的粘合??力相关［４４＿５（）］。Ｊｏｈｎｓｏｎ提出了刚性球面间的粘合力模型，以及后来的??Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ－Ｒｏｂｅｒｔｓ?（ＪＫＲ）模型和?Ｍａｕｇｉｓ－Ｄｕｇｄａｌｅ?理论。根据?ＪＫＲ?理论，??高次谐波的产生可归结于粘合力的作用
其响应中出现次谐??波、直流响应和局部振荡等独特的非线性效应（如图１．４）。１９９２年，Ｆｒｉｓｗｅｌｌ和??Ｐｅｎｎｙ提出一种双刚度模型来解释这些非线性现象［５８】。Ｓｏｌｏｄｏｖ建立了接触非线??性（Ｃｏｎｔａｃｔ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ?Ｎｏｎｌｉｎｅｒｉｔｙ，ＣＡＮ）?［５４＿５６］理论，认为：在大振幅超声波作用??下，不完美接触的两个界面会发生周期性碰撞，波形的压缩部分将通过不完美接??触面，而拉伸部分则不能通过。因此，可在透射波中产生了一种“机械二极管半??波整流效应”（如图１．４）?ＰＩ。这种效应类似于通信原理中的幅度解调，会产生??比输入频率还低的次谐波。??此夕卜，Ｋｏｌｏｓｏｖ和Ｙａｍａｎａｋａ提出一种类似的物理机制，称为接触界面“惯??性”模型Ｐ１。当入射波作用于闭合裂纹时，裂纹的输出边依靠惯性运动，与输??入边振动不同步，造成裂纹非完全闭合；此时，透射信号中的周期延迟可能是入??射超声波周期的两倍或更多
【参考文献】：
期刊论文
[1]数据驱动的寿命预测和健康管理技术研究进展[J]. 胡昌华,施权,司小胜,张正新. 信息与控制. 2017(01)
[2]夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展[J]. 梁召峰. 声学技术. 2016(04)
[3]基于迟滞应力应变关系的非线性声学检测理论与方法研究[J]. 张世功,吴先梅,张碧星. 物理学报. 2014(19)
[4]非线性电容RLC串联电路的主共振研究[J]. 李高峰. 计算物理. 2014(03)
[5]非线性电容RLC串联电路的1/2次亚谐共振分析[J]. 李高峰. 电子器件. 2014(02)
[6]粘接界面特性的超声检测与评价[J]. 李明轩,王小民,安志武. 应用声学. 2013(03)
[7]金属材料疲劳微裂纹的萌生与扩展研究[J]. 衣林,陈跃良,徐丽,胡建军,罗浩. 飞机设计. 2012(02)
[8]非线性无损检测技术的研究、应用和发展[J]. 周正干,刘斯明. 机械工程学报. 2011(08)
[9]声振检测方法的发展[J]. 邬冠华,林俊明,任吉林,周昌智. 无损检测. 2011(02)
[10]粘接界面的非线性弹簧模型及实验验证[J]. 安志武,王小民,毛捷,李明轩,邓明晰. 声学学报. 2010(05)
本文编号：3573837
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２位错晶格模型［９］：?（ａ）?—维模型?（ｂ）三维??
?ィ??莘窍咝韵煊??⒘烁斩认凳?胙沽Φ拿萋桑崳?关系这些研究都假定接触表面光滑而无摩擦影响，不考虑界面的微观结构??和接触状态。但现实中材料的接触面非常复杂（如图１．３），弹性和塑性形变都可??能发生，多数并不满足Ｈｅｒｚｔｉａｎ定律的假设条件Ｋｉｍ等研究了粗糙界面处??超声波传播特性，建立了一种描述界面微观形貌特征与接触刚度关系的微观弹塑??性模型［３９］。安志武等利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化［３８］，??建立了界面微观几何特征与劲度系数非对称性的关系，证实了粗糙界面表面几何??特征和劲度系数的变化是接触界面处非线性响应产生的主要原因。???参考平面１???参考平面２??图１．３接触界面的微观示意图［４６］??不完美接触界面的非线性行为不仅与界面粗糙度有关，而且与界面间的粘合??力相关［４４＿５（）］。Ｊｏｈｎｓｏｎ提出了刚性球面间的粘合力模型，以及后来的??Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ－Ｒｏｂｅｒｔｓ?（ＪＫＲ）模型和?Ｍａｕｇｉｓ－Ｄｕｇｄａｌｅ?理论。根据?ＪＫＲ?理论，??高次谐波的产生可归结于粘合力的作用
其响应中出现次谐??波、直流响应和局部振荡等独特的非线性效应（如图１．４）。１９９２年，Ｆｒｉｓｗｅｌｌ和??Ｐｅｎｎｙ提出一种双刚度模型来解释这些非线性现象［５８】。Ｓｏｌｏｄｏｖ建立了接触非线??性（Ｃｏｎｔａｃｔ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ?Ｎｏｎｌｉｎｅｒｉｔｙ，ＣＡＮ）?［５４＿５６］理论，认为：在大振幅超声波作用??下，不完美接触的两个界面会发生周期性碰撞，波形的压缩部分将通过不完美接??触面，而拉伸部分则不能通过。因此，可在透射波中产生了一种“机械二极管半??波整流效应”（如图１．４）?ＰＩ。这种效应类似于通信原理中的幅度解调，会产生??比输入频率还低的次谐波。??此夕卜，Ｋｏｌｏｓｏｖ和Ｙａｍａｎａｋａ提出一种类似的物理机制，称为接触界面“惯??性”模型Ｐ１。当入射波作用于闭合裂纹时，裂纹的输出边依靠惯性运动，与输??入边振动不同步，造成裂纹非完全闭合；此时，透射信号中的周期延迟可能是入??射超声波周期的两倍或更多
【参考文献】：
期刊论文
[1]数据驱动的寿命预测和健康管理技术研究进展[J]. 胡昌华,施权,司小胜,张正新. 信息与控制. 2017(01)
[2]夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展[J]. 梁召峰. 声学技术. 2016(04)
[3]基于迟滞应力应变关系的非线性声学检测理论与方法研究[J]. 张世功,吴先梅,张碧星. 物理学报. 2014(19)
[4]非线性电容RLC串联电路的主共振研究[J]. 李高峰. 计算物理. 2014(03)
[5]非线性电容RLC串联电路的1/2次亚谐共振分析[J]. 李高峰. 电子器件. 2014(02)
[6]粘接界面特性的超声检测与评价[J]. 李明轩,王小民,安志武. 应用声学. 2013(03)
[7]金属材料疲劳微裂纹的萌生与扩展研究[J]. 衣林,陈跃良,徐丽,胡建军,罗浩. 飞机设计. 2012(02)
[8]非线性无损检测技术的研究、应用和发展[J]. 周正干,刘斯明. 机械工程学报. 2011(08)
[9]声振检测方法的发展[J]. 邬冠华,林俊明,任吉林,周昌智. 无损检测. 2011(02)
[10]粘接界面的非线性弹簧模型及实验验证[J]. 安志武,王小民,毛捷,李明轩,邓明晰. 声学学报. 2010(05)
本文编号：3573837
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