非线性Lamb波产生机理及材料早期损伤的评价指针①

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本文主要从理论和数值仿真两个角度出发,研究非线性诱发Lamb二次谐波及零频的产生机理,以及提出了针对材料早期损伤的评价指针。  首先,对各向同性均匀自由双边界弹性薄板进行了理论研究,其中考虑了材料弱非线性和几何非线性,采用摄动微扰法求解了非线性控制方程。通过模态展开法,得到了零频、差频、和频以及二次谐波的理论解。理论结果表明,可累计的二次谐波产生条件为,相速度匹配和有非零能量流从基波流入二次谐波;零频可累积条件为:非零能量流。造成零频波动的因素有:模态转换,倍频向更高倍频转换,能量流入奇数次谐波(低频单一模态易线性累积)。并且,任何模态的初始波均能产生零频和二次谐波,零频和二次谐波只能是对称模态。  然后从微观角度,提出全同粒子以及虚粒子假设,推导了二维速度控制条件,再结合原子势函数在原子尺度上描述了线性波的传播。考虑晶格非谐性以及位错的影响,进一步探究了零频、差频、和频及二次谐波产生机理。理论分析表明,晶格非谐性和位错引起的晶格畸变会诱发产生非线性虚粒子,非线性虚粒子是零频、差频、和频及二次谐波产生的关键因素,位错等材料早期非线性或细微损伤导致非线性虚粒子增多而引发明显的零频、差频、和频以及二次谐波。在考虑边界条件后,得出的Lamb波相关的理论结论与经典弹性理论基本一致,并且发现群速度为非必须条件,偶数次高阶谐波均为对称模态,奇数次高阶谐波模态属性与基波模态属性保持一致。  最后利用 MLPGEM方法,对理论进行了辅助验证。模拟结果表明,非线性Lamb波可激发零频和二次谐波,零频信号强于二次谐波信号;并且非线性 Lamb波激发的零频信号,要强于非线性体波激发的零频信号;二次谐波可用来评价材料是否已进入塑性损伤(理论上零频和基波能量衰减为更优指针)。  理论和模拟结论显示,二次谐波,零频均可以作为材料或结构早期损伤的评价指针;另外,当材料微观损伤较强,如发生了较强的塑性损伤,基波的能量衰减较快,此时,基波能量的衰减快慢,也可作为材料损伤程度的评价指针。  本研究提出零频指针,可能突破了倍频限制,促进了非线性Lamb波在结构早期损伤健康监测领域的发展研究,具有比较重要的意义。
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