航空材料微裂纹缺陷的非线性超声检测机理研究

Aeronautical industry has the pressing demand for nondestructive testing of material early degradation due to fatigue. Considering that the microcrack has the close relationship with fatigue damage, the project will combine nonlinear acoustics, ultrasonic nondestructive testing and random cracks modeling method to study the mechanisms of acoustic nonlinearity caused by longitudinal wave propagating in internal cracked media and Rayleigh wave propagating in external cracked media. Based on the bilinear stiffness theories of two-dimensional and three-dimesional microcracks, the purpose of the project is to study the generation of the second harmonic and corresponding signal features, just like the relationships between propagating distance, frequency of incident wave, crack density and crack length. The analytical models are validated by comparing their predictions with the numerical simulations and experiments. In addition, the project will study on the relationship between the second harmonic and the different random distributions of cracks (just like Gaussian distribution and Poisson distribution) using numerical simulations. The results of the project can contribute to understand the mechanism of material early degradation due to fatigue, benefit the guidances and applications of nonlinear ultrasound techniques for the cracked aeronautical materials due to fatigue.

航空工业对于疲劳导致的材料早期损伤的无损检测有迫切需求，考虑到微裂纹与疲劳损伤密切相关，本项目拟结合非线性波动力学、超声无损检测技术以及随机裂纹有限元建模方法，从疲劳与微裂纹的物理本质入手，基于二维和三维微裂纹的双线性刚度力学模型，开展超声纵波对内部微裂纹缺陷、超声表面波对表面微裂纹缺陷的非线性响应的机理研究，特别是研究二次谐波的产生以及相应的信号特征（如与传播距离、频率、裂纹密度以及长度等的关系），并结合数值模拟和实验手段来验证模型的有效性以及准确性；此外还将采用数值模拟手段研究不同随机分布微裂纹缺陷（如高斯正态分布、泊松分布等）对二次谐波信号的影响规律。本项目的研究成果将有助于了解疲劳导致的航空材料早期损伤的内在机理，并为航空材料微裂纹缺陷的非线性超声波无损检测和评估提供理论支撑，同时也将为非线性超声无损检测技术的发展提供更为广阔的应用空间。

航空工业对疲劳导致的材料早期损伤的无损检测有迫切需求。考虑到微裂纹与疲劳损伤密切相关，本项目主要开展了非线性超声体波、表面波以及Lamb波的微裂纹检测机理研究：.首先基于微裂纹的双线性刚度模型，推导了一维纵波在含微裂纹结构中传播的理论解，建立了零频分量和二次谐波的超声非线性系数与微裂纹之间的定量关系，并建立含随机分布微裂纹的有限元模型，数值模拟与理论解吻合。结果表明：零频分量的超声非线性系数较二次谐波更为明显；超声非线性与裂纹密度、裂纹区域长度线性相关；纵波通过微裂纹损伤区后会产生微弱的反射波信号，为微裂纹损伤区域的定位提供了潜在的技术手段。.其次，开展了基于同向和对向混合波方法的微裂纹损伤评估和定位研究。数值和实验结果表明：满足共振条件的前提下，微裂纹的存在会导致混合波的产生；基于混合波信号的超声非线性系数与裂纹损伤程度相关；通过混合波时域信号可对微裂纹区域进行精确定位。.同时，基于数值模拟手段研究了含表面微裂纹损伤的表面波检测机理。数值模拟结果表明：表面微裂纹会诱发产生表面波的高次谐波信号，其超声非线性系数与微裂纹损伤程度相关，且裂纹角度对超声非线性系数的影响很大，当所有裂纹的角度为90度时其达到最大值。.此外，还研究了Lamb波低频S0模式针对薄板结构中微裂纹缺陷的检测方法。数值模拟结果表明：低频S0模式Lamb波通过微裂纹区域时，会产生S0模式的二次谐波；其超声非线性与裂纹损伤程度密切相关；同时会产生微弱的反射波信号，该信号的超声非线性行为更加明显。.最后，基于同向混合波方法研究了非线性Lamb混合波针对薄板中微裂纹缺陷的检测机理。数值和实验结果表明：当满足共振条件时，一列S0基波和一列A0基波会在裂纹区域发生相互作用并产生A0模式的共振波；该共振波信号可对微裂纹区域进行精确识别和定位；其超声非线性系数与微裂纹损伤程度相关。.本项目研究成果可为微裂纹损伤的非线性超声检测和定位识别提供了一定的理论支撑。