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原文传递一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法

专利名称：	一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法
摘要：	本发明公开一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，包括以下步骤：S01，建立各向同性固固粘接界面模型；S02，利用微扰法推导出反射波和透射波的表达式；S03，定义四个非线性参数以评价固固粘接界面的接触特性；S04，绘制四个非线性参数随接触应力变化的曲线；S05，利用超声信号发生器选择合适频率的激励信号混叠；S06，将采集到的信号通过快速傅里叶变换，得到相应的频谱图像的，测量得到试件在不同压力下的非线性参数；S07，通过对比理论值与实际值，分析得到非线性参数与试件粘接强度存在单调关系。本发明提供的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，能够更好地评价粘接件界面的粘接强度及接触情况，更为有效地对粘接件进行质量监测和维护。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	河海大学常州校区
发明人：	韩庆邦;钱昕彤;仲晓敏;殷澄;姜学平
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910812907.0
公开号：	CN110455919A
代理机构：	南京纵横知识产权代理有限公司
代理人：	董建林
分类号：	G01N29/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	213000江苏省常州市晋陵北路200号
主权项：	1.一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：包括以下步骤： S01，建立各向同性固固粘接界面模型，给出纵波运动方程以及应力-位移关系； S02，根据混叠入射波束的非线性波动方程及固固界面边界条件利用微扰法推导出反射波和透射波的表达式； S03，分析得到混叠波束入射于固固粘接界面存在非线性效应，结合界面线性刚度和接触应力的幂律关系，定义四个非线性参数以评价固固粘接界面的接触特性； S04，根据数值计算结果绘制不同频率波束混叠的情况下，四个非线性参数随接触应力变化的曲线； S05，利用超声信号发生器选择合适频率的激励信号混叠，通过超声波探头在被测试件上激发，然后在被测试件另一侧用另一超声波探头接收采集信号，并通过信号采集器可视化采集信号； S06，将采集到的信号通过快速傅里叶变换，得到相应的频谱图像，基于S03的理论基础，测量得到试件在不同压力下的非线性参数； S07，通过对比理论值与实际值，分析得到非线性参数与试件粘接强度存在单调关系。 2.根据权利要求1所述的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：S01中，一维弹性纵波沿x轴方向传播，接触面的参考平面位置分别设置为x＝X-,x＝X+，在区域x＜X-，入射一维纵波finc，得到反射波fref，在区域x＞X+,得到透射波ftra；一维纵波沿x轴正向传播，运动方程以及应力位移关系如下：其中，u(x,t)表示声波沿x方向传播的位移；σ(x,t)表示应力变化；σ0为两个固固的接触静应力；t表示时间；ρ表示介质的密度。 3.根据权利要求2所述的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：S02中，混叠波束非线性波动方程表达式如下：式中，φ为速度势，声波的速度表达式为其中，c0为理想气体中小振幅声波的传播速度，是常数，取决于媒质；γ为定压比热和定容比热之比；P为压力，P0为初始压力；ρ0为初始密度。 4.根据权利要求2所述的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：S02中，固固界面边界条件满足：当弹性波经过边界有相互作用时，位移与应力条件如下：当弹性波经过边界没有相互作用时，即两固固此时没有接触，位移与应力条件如下：其中，u(+0,t)为声波在区域x＞X+的位移；u(-0,t)为声波在区域x＜X-的位移；σ(+0,t)为声波在区域x＞X+的应力；σ(-0,t)为声波在区域x＜X-的应力。 5.根据权利要求2所述的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：利用微扰法推导出反射波和透射波的表达式具体步骤如下：步骤a、公式(1)和公式(2)的解如下： u(x,t)＝finc(x-ct)+fref(x+ct) x＜X- (7) u(x,t)＝ftra(x-ct) x＞X+ (8) 式中，函数finc(x-ct),fref(x+ct)及ftra(x-ct)分别表示界面左侧沿x轴向右传播的入射波的表达式，沿x轴向左传播的反射波的表达式以及界面右侧沿x轴向右传播的透射波的表达式，声波波速c＝(λ/ρ)1/2，λ为弹性常数；步骤b、为求解公式(1)和公式(2)的方程，引入以下变量： Z(t)＝[u(X+,t)+u(X-,t)]/2 (9) Y(t)＝u(X+,t)-u(X-,t)＝h(t)-h0 (10) 一维弹性纵波沿x轴方向传播，接触面的参考平面位置分别设置为x＝X-,x＝X+；其中，u(+0,t)为声波在界面x＝X+处的位移；u(-0,t)为声波在界面x＝X-处的位移；h(t)为声波传播时接触面之间的间隙距离；h0为无声波时接触面之间的间隙距离，是常数，与固体介质和接触面粗糙程度有关；Z表示接触界面两端位移和的一半，Y表示的是界面两端的位移差；对公式(10)和公式(11)求导并推导得：其中，σ(h0+Y)为声波传播时接触界面的应力；经求解得到反射波与透射波的表达式：其中，Y表示的是界面两端的位移差；步骤c、通过激励出频率为f1，f2的两束超声波，由于运动的非线性这两列超声波将会在界面发生非线性相互作用，产生nf1，nf2，f1+f2的和频波和f1-f2的差频波，不考虑声波衰减和初始相位差，引入激励信号表达式如下：式中，A1和A2，ω1和ω2分别为两个激励声波的幅值和角频率，根据波动方程及入射波表达式利用微扰法求解反射波和透射波方程；考虑到当入射波的位移较小时，间隙距离改变也很小，在这种情况下，函数σ(h)可以由其在h＝h0附近的泰勒展开式代替，取至二阶项，表达式如下： σ(h)＝σ(h0+Y)＝σ0-K1Y+K2Y2 (16) 其中，K1表示线性刚度；K2表示接触面非线性刚度，即二阶刚度；h为接触界面的间隙距离；步骤d、将公式(15)、公式(16)代入公式(12)得到关于Y的一阶非线性常微分方程，表达形式如下：步骤e、利用微扰法求得其近似解如下：考虑方程的近似解Y＝Y1+Y2，其中，Y1是一阶微量，Y2是二阶微量，是方程的近似解，同时，Y1,Y2满足以下方程：解得：其中，δ1＝arctan(ω1/a)，δ2＝arctan(ω2/a) 其中，取Δω＝ω2-ω1，Σω＝ω1+ω2，ψ1＝θ1+δ1-δ2，ψ2＝θ2-δ1-δ2，θ1＝arctan[a/(Δω)]，θ2＝arctan(a/Σω)；步骤f、最终得到反射波与透射波的表达式： 6.根据权利要求4所述的一种利用非线性效应评价固固界面接触特性的方法，其特征在于：S03中，界面线性刚度和接触应力的幂律关系的表达式如下： K1＝Cσ0m (24) 其中，C和m是正常数，将和代入得到二阶刚度与接触压力的关系函数：定义非线性参数β1,β2为透射波中差频分量、和频分量的幅值与基频的幅值之比，非线性参数γ1,γ2为反射波中差频分量、和频分量的幅值与基频的幅值之比：
所属类别：	发明专利