三维埋藏裂纹的非线性Lamb波敏感性研究

采用数值模拟的方法,建立三维埋藏损伤裂纹单元,对非线性Lamb波的敏感性进行研究.利用ABAQUS软件,通过拉伸的方式建立损伤裂纹单元并将其嵌入长板模块中,形成一种肉眼不可见的埋藏裂纹模型,通过侧面激发出单S0模态信号与板中埋藏裂纹的相互作用而产生非线性效应.在相同激励条件下改变裂纹的尺寸从而获得不同的时域接收信号,然后对接收信号进行频谱分析,并对谐波与基波信号幅值比的变化展开研究.频谱图的数值结果表明,非线性Lamb波信号对三维模型中不同尺寸的裂纹具有不同的反应灵敏度,非线性信号会随着裂纹长度或高度的增加而增强,会随着裂纹厚度的增加而变弱,即非线性Lamb波对薄的微裂纹具有更高的敏感性;幅值比的分析表明,该参数可以作为Lamb波早期微裂纹检测的重要指标.     

融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究

基于不同模态Lamb波与孔边裂纹相互作用的基本原理,聚焦不同模态Lamb波波包飞行时间精确检测问题,以各向同性板中的孔边裂纹为研究对象,开展了融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究。首先,使用宽频chirp信号激励稀疏传感器阵列产生Lamb波,并采集通孔散射信号作为基线信号,采集孔边裂纹散射信号作为缺陷信号。其次,对chirp响应信号进行滤波处理,优化选取窄带单音频脉冲响应信号的中心频率和调制周期数。然后,对基线单音频脉冲响应信号进行Radon变换,得到优化后的群速度和偏移时间,并计算出Lamb波波包飞行时间。最后,使用椭圆定位成像算法对孔边裂纹进行定位成像,并将成像结果与名义群速度法的结果进行对比。结果表明,使用Radon变换可以准确获取Lamb波波包飞行时间,提升了不同模态Lamb波对孔边裂纹缺陷的检测能力。     

基于非线性Lamb波混频技术的复合板微裂纹方向识别研究

以非线性Lamb波混频技术为基础,对复合板中不同方向的微裂纹进行检测.采用数值模拟的方法,在三维复合板中通过提取和频分量,对Lamb波S0模态信号与微裂纹之间的非线性关系进行研究.利用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,将微裂纹嵌入复合板模型的中心位置,并在板的四周加入混合人工吸收边界.在保持混频激励信号不变的情况下,...     

离散解析互相关的Lamb波频散特性估计方法

针对实验估计Lamb波频散特性需要借助传感器阵列或空间密集采样的问题,提出了一种基于离散解析互相关的频散特性估计方法。采用一发一收法,移动接收换能器在两个相邻位置采集Lamb波响应信号;计算两组响应信号之间以及原始激励信号与响应信号之间的离散解析互相关、估计欲知模态的群延迟和相延迟;在此基础上,求得该模态的群速度和相速度频散曲线。数值仿真和实验结果表明:当信噪比在15 dB以上时,离散解析互相关法估计A_0模态和S_0模态频散特性的最大相对误差在1%左右。该方法在待测结构几何参数和材料属性未知的情况下,仅需经过两次测试就可实现Lamb波频散特性的精确估计,测试和计算效率高,能够满足实际工程应用。     

激光超声波检测材料表面裂纹的有限元数值模拟

该文利用abaqus有限元软件模拟了激光激发的超声波在预加裂纹的薄板中传播的物理过程.通过高斯分布力载荷模拟入射超声波源,建立了超声传播的abaqus瞬态动力学模型,探讨了表面裂纹的宽度和深度对反射波的影响.结果表明随着裂纹深度的增加,反射波的振幅单调递减,而裂纹宽度和形状对反射波没有影响.     

压电晶片激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波

基于流固耦合理论,采用有限元方法,建立压电激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波的数值模型.数值模拟研究单向纤维增强复合材料中的泄漏Lamb波的色散和衰减特征,得到了全波场数值解,进而分析了不同激励频率,不同纤维取向对波形的影响.结果表明:理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波可存在非色散,衰减较小的So模态和色散,衰减较大的Ao模态;通过选择激励频率可以选择合适的传播模态.材料纤维取向不同会影响泄漏波形的传播速度以及色散和衰减特性.数值模拟建立了激励源、材料参数以及相应波形之间的定量关系,可为泄漏Lamb波技术应用于NDE和NDT提供理论参考.     

平面电磁波在良导体表面上的反射和透射

该文导出了平面电磁波以任意角度入射到良导体表面上时反射波、透射波与入射波的振幅、相移关系式以及反射系数的表达式．在此基础上，讨论了反射波、透射波的极化特性和反射系数、相移的变化规律．     

翅片管式蒸发器超声波除霜理论与技术研究

针对传统逆除霜技术能耗高、热舒适度差的问题,研究应用于翅片管式蒸发器的超声波除霜新技术。结合MATLAB数值求解方法与有限元压电结构耦合仿真方法,分析蒸发器结构中的频散曲线,确定蒸发器结构中的超声导波类型、模态及导波传播特性,并将超声频散曲线分析结果与有限元仿真结果进行对比。研究结果表明,在激励频率小于250kHz时,蒸发器翅片上存在Lamb波的A0和S0模态以及SH波的SH0模态,Lamb波在翅片与霜层界面处激发破碎应力,SH波激发剪切应力;翅片上振动以Lamb波的S0模态为主,铜管上可以清楚看到对称的纵向模态,有限元仿真结果与频散曲线分析结果完全吻合;超声除霜试验与能耗分析结果表明,超声除霜能耗不到传统逆除霜能耗的1/22,除霜效率至少提高了7倍,是一种高效、低能耗的翅管式换热器除霜新技术。     

节理倾角对类岩石冲击能量传递影响的试验研究

用砂浆材料模拟不同倾角的节理岩石试件,并借助霍普金森压杆试验系统(SHPB)装置对其进行相似速度下的冲击试验,研究节理倾角对应力波穿越节理面时的波动特性和能量传递及耗散的影响,并给出能量耗散比随节理倾角变化的表达式。研究结果表明:在相似入射能量条件下,随着节理角度增大,反射能量比ER/EI(即反射波能量ER与入射波能量EI之比)先增大后减小,透射能量比ET/EI(即透射波能量ET与入射波能量EI之比)先减小后增大,且在节理倾角等于破坏角时,反射能量比和透射能量比到达极值;能量耗散比ED/EI(即节理试件耗散能量ED与入射波能量EI之比)随节理倾角的变化有所波动,分别在倾角为30°和90°时取得2个极大值。     

基于波包能量的裂纹扩展监测实验研究

采用主动Lamb波监测技术对铝板结构中的疲劳裂纹扩展进行了实验研究.首先通过布置在结构中的压电片激发并采集Lamb波信号.然后分别把Lamb波信号的原始信号、信号包络及其特定尺度上的小波系数模值定义为波包,并建立了不同定义下波包能量的计算公式.将结构在裂纹扩展过程中传感器所接收的Lamb波So模式波包能量与健康状态下所得到的波包能量进行对比,得到每个裂纹扩展阶段的能量差,将其归一化后得到相应的裂纹损伤特征参数.最后通过实验分析得到该损伤特征参数与裂纹扩展程度之间的对应关系,从而揭示出Lamb波随裂纹扩展的变化规律.实验结果表明,利用上述方法所得到的裂纹损伤特征参数随裂纹扩展表现出特定的变化规律.该规律对于裂纹监测的进一步研究具有促进作用.     

钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察

为了研究钛钢复合板在弯曲过程中的断裂行为,利用扫描电镜原位观察了爆炸和爆炸--轧制两种工艺生产的钛钢复合板在弯曲过程中裂纹的萌生和扩展.结果表明:外弯过程裂纹萌生的角度小于内弯过程,钛钢复合板内弯比外弯具有更强的抗裂纹产生能力.在爆炸钛钢复合板的弯曲过程中,裂纹主要在波头的界面结合处和漩涡中心处萌生;在爆炸--轧制钛钢复合板的弯曲过程中,裂纹在Ti--Fe金属间化合物硬块界面处萌生.产生裂纹的主要原因爆炸钛钢复合板的波头界面结合处和漩涡中心处、爆炸--轧制钛钢复合板的界面块状Ti--Fe金属间化合物具有较高的硬度,在变形的过程中难以协调变形.     

纳观尺度下不同晶向取向对裂纹萌生和扩展的影响

【目的】了解裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场法研究不同初始晶向倾角在y方向单轴拉伸作用下裂纹扩展演化、对应的应力分布及其应力曲线。【结果】当拉应变作用达到临界值时,无预应变的样品裂口开裂方式不同。5°与20°晶向倾角的样品裂口直接开裂,并伴随着位错出现。10°与15°晶向倾角的样品裂口先发射位错,裂口准备开裂。裂纹形成后,5°与20°晶向倾角的样品裂纹主要呈脆性断裂模式扩展。10°与15°晶向倾角的样品为典型的韧性断裂模式扩展。【结论】不同晶向倾角对裂纹萌生时间、扩展方向以及韧-脆扩展形式有重要影响。     

背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响

采用弹道侵彻试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了背板条件对氧化铝薄板陶瓷/金属复合装甲在抗12.7 mm穿燃弹过程中形成的陶瓷锥角大小与形态的影响,并分析了陶瓷锥形成的过程与机理.结果表明:背板厚度对于陶瓷锥大小的影响尤为明显,当背板厚度增大时,主裂纹汇聚的交点越靠近弹靶接触面,此时拉剪裂纹的扩展起到了主要作用,当背板厚度与陶瓷厚度之比小于1时,厚度比每增大1/6,陶瓷锥锥角大小增加5%;当界面间波阻抗差值减小即背板材料波阻抗升高时,从界面反射的应力波减弱,从而减小了对陶瓷的损伤,陶瓷断裂锥锥角大小也随之减小.      

Phase difference and interference between reflected cylindrical wave and head wave at a liquid/solid interface

The reflected field of pulsed cylindrical waves from a liquid-solid interface is studied by the numerical method and the experimental method. The reflected field is calculated and shown in gray pictures. The calculated incident angles θ _n (n=1, 2, 3,…) of a series of minimums (or nulls) on the reflected wavefront are presented. The measured angle of the minimum from Schlieren photograph is consistent with that by calculation. The appearance of minimums is explained by the interference between the reflected wave and the head wave, and by the radiated dissipation of the head wave. The leading phase angle of the head wave to the reflected wave is proved to be about 3π/4 by the numerical calculation.     

Propagating solitary waves along a rapidly moving crack front

A rapidly moving crack in a brittle material is often idealized as a one-dimensional object with a singular tip, moving through a two-dimensional material. However, in real three-dimensional materials, tensile cracks form a planar surface whose edge is a rapidly moving one-dimensional singular front. The dynamics of these fronts under repetitive interaction with material inhomogeneities (asperities) and the morphology of the fracture surface that they create are not yet understood. Here we show that perturbations to a crack front in a brittle material result in long-lived and highly localized waves, which we call 'front waves' These waves exhibit a unique characteristic shape and propagate along the crack front at approximately the Rayleigh wave speed (the speed of sound along a free surface). Following interaction, counter-propagating front waves retain both their shape and amplitude. They create characteristic traces along the fracture surface, providing cracks with both inertia and a new mode of dissipation. Front waves are intrinsically three-dimensional, and cannot exist in conventional two-dimensional theories of fracture. Because front waves can transport and distribute asperity-induced energy fluctuations throughout the crack front, they may help to explain how cracks remain a single coherent entity, despite repeated interactions with randomly dispersed asperities.     

不同爆炸加载参数下含裂纹试件的动光弹数值分析

采用动态光弹性的方法，对在不同爆炸加载参数下含裂纹试件的动态响应进行了研究，对爆炸过程、应力波传播规律及其对裂纹的影响进行了分析讨论。给出了应力波通过裂纹尖端时，其应力强度因子连续变化的规律；给出了改变爆炸加载参数及边界反射波对裂纹尖端应力强度因子的影响。     

平面电磁波在弱导电介质表面上的反射和透射

研究了平面电磁波以任意入射角入射到弱电介质界面上发生的反射和透射现象,得到了产生反射和透射现象情况下的相移和光波振幅强度以及反射系数的关系,并进一步研究了反射波、透射波的极化特性和反射系数、相移的变化规律.     

脉冲激光线源热弹激发超声导波的数值研究

考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的非线性效应,在两维平面内建立了平面应变有限元模型,基于热弹耦合理论数值模拟了脉冲激光线源辐照金属铝板表面激发超声导波的物理过程.数值模拟分别得到了脉冲激光线源在厚度为1 cm与0.2 mm的铝板中激发出的声表面波与Lamb波的时域波形.其中声表面波包括掠面纵波、表面横波与瑞利...     

水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在,真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。自行研制了一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料,内部预制张开型裂隙组,通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试验。详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在渗透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制;研究了裂隙组倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。试验表明:水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明显不同,水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用,对包裹式翼裂纹有促进作用;平行双裂隙组试件的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加,起裂应力和峰值强度增大并逐渐趋于单裂隙强度水平。试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。     

Three-Dimensional Stress and Stress Intensity for Tensioned Flat Plates with Edge Cracks

The stress in the thickness direction is an important factor influencing the fracture behavior of structural members. A stress σy tensioned flat plate with edge cracks is widely used as an analysis model. The stresses σx and σy for the plate model can be acquired from Neuber＇s solution. However, the solution is applicable only for a perfect plane stress or plane strain state. As a consequence of the thickness of the plate a three-dimensional （3-D） stress state will arise near the crack tip, resulting in a variation of the distribution of σx and σy stresses. A full analysis for the 3-D stress fields for a tensioned flat plate with edge cracks has been therefore carried out. The results show that the 3-D stress field near the crack tip is mainly determined by two factors： the thickness of the plate and the curvature radius at the crack tip. A further analysis has been carried out for the stress intensity near the crack tip. In this paper we give some equations matching to the 3-D stress and stress intensity, which describe precisely the stress state near the crack tip, and which can be applied effectively in engineering analysis.