分层结构界面结合特性的超声波动理论及检测技术研究

Layered structure have superior performance of anti-fatigue, shock absorbtion and high specific strength which is widely used in key parts of fields of aerospace, automotive, military. Layered structure is subjected to the influence of alternating load and static load produces and vibration damage, aging, creep, etc in the using process , the interface mechanics performance of layered structure is reduced. once the decrease of strength of interface between the layers, it can cause a variety of catastrophic consequences. Therefore, layered media detection of the interface bonding state is particularly important. According to the ultrasonic evaluation of bonding characteristics of layered medium, it lack relevant theories to support the scientific problems, Exploring and establishing the detection model of ultrasonic reflection and mathematical model of rayleigh wave dispersion curve under different bonding interface characteristics , elucidating the inner relation of the different interface stiffness and ultrasonic characteristic parameter. Establishing theoretical foundation of ultrasonic detection wave equation in layered medium and implementing the practical application of this technology. Finally based on theory of ultrasonic characteristics, it develop the detection method which is suitable for interface bonding quality of multilayer media.

分层结构具有抗疲劳、减震性能优越、比强度高等优点，广泛应用于航空航天、汽车、军工等领域的关键零部件。在使用过程中分层结构受到振动损伤、老化、蠕变等交变载荷和静载荷的影响会产生界面力学性能的降低，一旦界面强度降低导致层间脱离，都可能引发各种各样的灾难性后果。因此，层状介质界面粘结状态的检测就显得尤为重要。针对分层介质界面粘结特性的超声评价缺少相关理论支持这一科学问题，探索并建立不同粘结界面下超声反射的检测模型和瑞丽波频散曲线数学模型，阐明“不同界面刚度—超声特征参量”之间的内在关联。奠定分层介质检测超声波动方程的理论基础，并实现该技术的实用化。最终以超声波特性理论为依据，开发出适于多层介质界面粘结质量的检测方法。

分层介质结构具有优越的减震性、抗疲劳性等优点，被广泛的应用于军工、汽车、航空航天等重要领域，例如，飞机发动机护罩板、飞机机翼扰流板和固体发动机外壳的隔热板等。但由于分层介质的界面层粘结刚度过小而导致的事故时有发生，因此，对分层界面刚度的测量显得尤为重要。空气耦合超声波检测法具有安全无害、非接触和不破坏被测材料等优点被广泛用于分层介质界面粘结质量的检测，但其信噪比低、分辨率低等缺点严重制约其应用。为了提高空气耦合超声检测界面粘结质量的评价水平，本项目主要做了如下工作：.首先基于声波的波动理论和方程以及粘结界面的弹簧模型理论，通过利用超声波在各分层介质界面上的位移和应力连续的边界条件，建立了空耦超声波斜入射多层介质粘结结构中的透射和反射的物理和数学模型。通过数值仿真超声波斜入射到同质等厚粘结板的声波透射系数，分析其透射系数峰值随粘结界面刚度系数的变化。 .然后以涂层结构为例，基于声波的波动理论和方程，建立超声波在涂层结构中的声压反射系数模型。基体选用钢、铸铁、铝合金，表面选用不同喷涂工艺得到的陶瓷涂层为研究对象，获得了不同界面刚度系数的超声反射频谱。.最后搭建了空耦超声检测多层介质粘结板的实验平台，以复合材料板粘结和有机玻璃板与铝板粘结为例，验证了声波透射峰值随着界面刚度系数变化而变化的规律，实验结果与之前的理论计算结果基本吻合，证明了仿真结果的正确性。这些结论可以为空耦超声波检测粘结结构时的优化检测参数提供理论依据，从而提高检测的分辨率。