[发明专利]基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非线性超声检测方法，特别是一种基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法，用于非完好界面接触状态的评价，属于无损检测技术领域。 

背景技术

作为传递运动和变形的中间介质，界面广泛存在于各类工程结构中，如在航空航天、军工、石油化工等领域普遍使用的粘结结构、机械和汽车等行业广泛使用的机械密封以及机床加工业使用的静压导轨油膜支撑等。由于界面与组合材料或结构的特性往往不同，使得界面接触性能成为影响整个材料或结构的宏观力学性能的关键因素。因此，需要开展界面接触性能无损评价技术研究。 

由于超声波传播在到界面处，会发生反射、透射及波形转换等现象，使得超声波技术在结构界面检测中具有特殊的优势。但对于工程结构中普遍存在的非完好界面接触特性评价问题，如两粗糙表面实际接触面积估算，疲劳裂纹闭合检测，焊接接头或局部粘结层界面非完好性评价等，则很难利用传统超声波在界面处的反射或透射表征界面接触特性。大量的理论分析和试验研究表明[Solodov，I.Y,Ultrasonics of non-linear contacts：propagation，reflection and NDE-applications.ltrasonics.1998，36(1-5)：383-390]，超声波在非完好接触界面处传播时呈现很强的非线性效应，因此可以利用超声波在非完好界面处传播的非线性效应对界面接触特性进行评价。Biwa对固-固接触界面处一维体波传播的非线性界面刚度模型进行了理论和试验研究。由接触界面处超声波的线性和非线性响应，建立了线性刚度系数与压力的幂律表达式[S.Biwa，S.Nakajima，N.Ohno.On the acoustic nonlinearity of solid-solid contactwith pressure-dependent interface stiffness.Journal of Applied Mechanics.2004，1(4)：508-515.]。国内就界面接触特性非线性超声评价的研究起步较晚。南京大学声学所陈建军等2005年公开的发明专利研究了用接触超声非线性定量无损检测粘结界面粘接力的方法[陈建军、章德等，用接触声非线性定量无损检测粘结界面粘结力的方法，200410065510.3]。以上研究中均未考虑构成界面的两接触表面微观形貌对超声波的散射作用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法。基于粗糙界面间隙与外载荷的关系模型，通过粗糙表面微观特性分析，研究利用界面一阶刚度、二阶刚度及非线性系数等特征参数表征界面接触特性，并将超声波与接触界面相互作用的宏观特性与接触表面的微观特性联系起来。因此，该方法不仅可以实现界面接触状态评价，并可实现不同微观特性界面的接触状态评价。 

本发明提出基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法，其基本原理在于： 

当在构成接触界面的其中一结构上施加超声激励情况下，将会在结构中激励出超声波，当超声波传播到接触界面处，将使接触界面产生打开、闭和运动，即产生“拍打”现象，从而产生高次谐波，即所谓的接触声非线性效应。接触界面的非线性效应与界面的微观形貌、接触状态及超声激励的频率、幅度等有关。因此，在保持超声激励不变的情况下，可以利用接触界面的非线性效应评价界面的微观形貌及接触状态。 

建立一维纵波在接触界面处传播的理论模型(如图1所示)，其中为A、B构成界面的两端面。外载静压力为P₀，界面间隙δ₀＝z₊-z_-。当频率为f的纵波垂直入射到接触界面时，超声波沿z轴传播的一维应力-位移关系可表示为：