發(fā)布時間：2018-04-18 10:44

  本文選題：超聲非線性 + 微裂紋��； 參考：《西南交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：常規(guī)的無損檢測技術(shù),如超聲檢測、射線檢測、聲發(fā)射檢測和小波診斷技術(shù)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(jìn)行定量的檢測和評估。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、位錯和析出相等。而超聲非線性檢測技術(shù)基于測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(shù)對空間尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長的材料微觀結(jié)構(gòu)特征有足夠的靈敏度,因此廣泛應(yīng)用于疲勞損傷、時效等材料早期性能退化的檢測和評估。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超聲非線性的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究等幾個重要問題,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獲得相應(yīng)的動態(tài)修正系數(shù),進(jìn)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(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)分布的二維Griffith裂紋和三維幣形裂紋結(jié)構(gòu)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(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,計算相應(yīng)的靜態(tài)和動態(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,并基于波動方程的格林函數(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)。在明確了微裂紋對超聲非線性檢測的影響機(jī)理后,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)測量的手段,考慮了共軸同向混合波超聲非線性檢測方法實(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,由一個典型的菱形變?yōu)橐幌盗械牟ò还舱癫úㄐ偷母淖冎慌c頻率偏差相關(guān),與混合位置無關(guān)；由于準(zhǔn)共軸狀態(tài)會導(dǎo)致共振波主軸與水平軸之間存在一個特殊的角度,進(jìn)一步使得雙晶超聲波探頭接收到的共振波信號幅值隨混合位置的增加而線性增大。本文最后研究了高階有限譜單元方法大規(guī)模數(shù)值模擬非線性混合波問題的可行性。基于Gauss-Lobatto-Legendre多項(xiàng)式的高階有限譜單元理論,采用ABAQUS/VUEL進(jìn)行二次開發(fā),數(shù)值計算結(jié)果表明：對于大規(guī)模非線性波動數(shù)值問題,在同樣精度的前提下,本文開發(fā)的有限元譜單元的計算效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的減縮積分單元,效率提高可達(dá)14倍。這為表征材料非線性變化對超聲非線性系數(shù)檢測提供更高效的計算手段。
[Abstract]:In order to study the quantitative relationship between micro - crack and ultrasonic nonlinear coefficient , it is difficult to detect and evaluate the early performance degradation of materials due to the limitation of ultrasonic detection , ray detection , acoustic emission detection and wavelet diagnosis .
The effective compressive modulus is not only related to the crack density but also related to the crack surface friction coefficient . The corresponding random crack numerical simulation model is further established by the finite element method , and the corresponding static and dynamic effective modulus are calculated . The results show that the sparse theoretical solution is closer to the numerical simulation results .
The ultrasonic nonlinear coefficient is proportional to the difference between the effective tensile modulus and the effective compressive modulus . The numerical simulation results are very close to the theoretical solution .
The change of the resonance wave type is only related to the frequency deviation , which is independent of the mixing position ;
Based on Gauss - Lobatto - Legendre polynomial , the computational efficiency of the finite element spectrum unit is much higher than that of the conventional reduction integral unit .

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU50

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本文編號：1768024