【摘 要】
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高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)是一类高分子、非均质复合材料,因其优异的综合性能,在诸多领域具有非常广泛的应用。然而,受工艺制约和外界环境等因素的影响,PBX在制备、加工的过程中可能会产生宏观表面裂纹,严重影响PBX的力学性能和承载能力。建立一种准确、高效、可靠的传感方法是获取PBX表面裂纹状态信息的关键。表面波传感技术作为一种无损检测手段,具有测量精度高
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高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)是一类高分子、非均质复合材料,因其优异的综合性能,在诸多领域具有非常广泛的应用。然而,受工艺制约和外界环境等因素的影响,PBX在制备、加工的过程中可能会产生宏观表面裂纹,严重影响PBX的力学性能和承载能力。建立一种准确、高效、可靠的传感方法是获取PBX表面裂纹状态信息的关键。表面波传感技术作为一种无损检测手段,具有测量精度高、检测范围大、环境适应性强、可与柔性工艺兼容等特点,在PBX表面裂纹的在线检测及动态监测中具有巨大的潜力和应用前景。本课题通过有限元仿真与实验相结合的方法,提出了一种基于压电表面波传感技术的PBX表面裂纹检测方案。此方案基于有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立几何仿真模型,讨论了PBX的几何形面、材料属性与表面波传播特性之间的内在联系,分析了表面波与PBX表面裂纹之间的作用机理,并构筑适用于PBX表面裂纹检测的压电表面波传感器,以实现对PBX表面裂纹状态信息的准确、快速获取。基于以上研究方案,本课题的主要研究内容如下:(1)建立了不同预制尺寸的PBX表面裂纹仿真模型,基于有限元方法模拟了表面波在PBX球面的传播特性,提取反射信号、透射信号幅值的变化,研究了表面波与裂纹之间的作用机理,利用频率、声速、衰减系数等参数实现了对PBX表面裂纹的声学表征。(2)基于压电表面波传感器的相关理论,设计并研制了适用于PBX表面裂纹检测的斜入射式和梳状阵列式的压电表面波传感器,通过有限元方法优化了传感器的组成结构及尺寸参数。搭建实验系统,利用声速、衰减、指向性等参数验证了压电表面波传感器的性能。(3)开展表面裂纹检测实验,实验结果表明压电表面波传感器可实现对PBX表面裂纹状态信息的有效获取。基于表面波与裂纹的作用规律,提出了一种对PBX表面未知裂纹尺寸的估算方法。表面波传感技术具有的小型化、柔性化、阵列化等特点,为揭示PBX表面裂纹的动态扩展行为提供了全新的研究思路和技术支撑。
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