微缺陷诱发的非线性应力波分岔特性及其应用研究

In recent years, nonlinear ultrasonic testing technology has become a research hotspot for early damage detection in material. It is based on the nonlinear properties of the stress wave propagation，such as higher harmonics and nonlinear-modulation, for the reason of the interaction between the stress wave and the microscopic defects. However, the existing research mostly focuses on experiments, which is to find the relationship between the microscopic defects and nonlinear properties. Only few documents pay their attention to the mechanism of thus nonlinear. This research project will be started from the mathematical deduction of the stress wave propagation considering the influence of damage parameters. The equation of nonlinear stress wave will be considered as a nonlinear system, based on which the bifurcation theory could be used to explain the mechanism of the high order harmonic or nonlinear-modulation generation. And then, a new damage index derived from bifurcation properties will be proposed by studying the relationship among bifurcation properties, damage parameters and the stress wave. In addition, an optimized nonlinear ultrasonic testing scheme will also be studied. Finally, the nickel-base material with microscopic defects will be detected by experimental study. The microscopic defects could be made by plastic and fatigue loading and detected by nonlinear stress wave. The data analysis method based on time series will be developed to character bifurcation properties. This studies will be expected to provide some theoretical and technical support for nonlinear ultrasonic testing.

近年来，非线性超声检测技术已经成为材料早期损伤检测的研究热点，其原理为应力波在传播过程中遇到微观缺陷时会发生相互作用而产生高次谐波或混频等非线性特征。然而，现有研究成果多集中在实验研究方面，利用高次谐波或混频特征验证材料损伤演化与非线性参数之间的关系，鲜有文献对非线性应力波的发生机理进行研究。本项目拟对材料损伤参数对应力波传播的影响规律进行数学推导，并将非线性应力波视为非线性系统，利用非线性系统的分岔理论来解释高次谐波或混频特征的发生机理；然后，通过研究损伤参数、应力波激发参数、以及分岔特性之间的关系，提出基于分岔特性的损伤指标，优化非线性超声检测方案；最后，以镍基合金材料为研究对象开展实验研究，利用塑性加载和疲劳加载方式进行微缺陷加工，并进行非线性应力波的微缺陷识别，发展基于时间序列的非线性应力波分岔特性的数据分析方法，为非线性超声检测提供理论和技术支持。

上世纪50年代，研究人员发现材料微观缺陷与应力波透过材料传播时的非线性效应（如非线性谐波、混频特性等）密切相关，由此发展了非线性超声检测技术。然而，已有研究大多利用实验方法检验非线性参数与材料微观损伤之间的关系，理论研究相对缺乏。本项目旨在利用非线性系统分岔特性构建非线性超声的理论模型，为非线性谐波的激发、缺陷检测提供理论依据，并以此发展非线性超声检测的工程应用。经过4年研究，主要取得了以下成果：1）利用非线性系统分岔解释了非线性应力波高次谐波、亚谐波的产生机理。研究发现，当非线性系统处于周期一状态，叉式分岔点是系统响应出现奇数次谐波和整数谐波的临界点。系统进入了倍周期分岔时将出现亚谐波，如周期二时对应出现1/2亚谐波，周期四时对应出现1/4亚谐波，以此类推。2）通过控制非线性系统的分岔区域，可实现产生特定非线性谐波的控制。研究发现，产生1/2亚谐波的激励频率和激励幅值在“频率-幅值”平面内近似呈“V”型。3）开展了镍基合金冲击断裂实验研究，为研究冲击损伤奠定了基础；对聚乙烯材料的损伤实验，检验了利用非线性应力波检测聚乙烯材料塑性损伤的有效性；4）提出了钢轨损伤检测的高次谐波法和非线性调制法，该方法只需在钢轨轨顶安装传感器，具有较强的工程应用价值；5）发展了基于混沌敏感性的弱导波信号识别技术，提出了基于庞加莱截面、混沌信息熵、周期跳跃等特征的识别方法，以及可同时识别缺陷回波信号幅值和发生时刻的双混沌检测方法，为弱信号检测奠定了基础。6）在本项目执行中，还积极探索相关检测设备的研发，基于LabVIEW编写了控制应力波激发和接收上位机软件，并编写了缺陷识别算法软件，推动了本技术方法的工程应用。本项目共发表学术论文16篇，其中,SCI、EI检索10篇，出版著作2部，申请发明专利5项，已授权2项，培养研究5人，达到了项目的预期研究目标。