分层介质中非线性瑞利波检测理论与方法研究

This program is going to study on the propagation theory and the new testing method of nonlinear Rayleigh waves based on the nonlinear acoustical issue caused by the material property degeneration and micro-destruction of multi-layered structures. The theoretical model used in this program is horizontal multi-layered half-space constituted by isotropic media. On the one hand, study on the theory and experiment of classical nonlinear Rayleigh waves caused by the material property degeneration. The general equations of the nonlinear Rayleigh waves will be derived, then the physical mechanism of nonlinear Rayleigh waves’ excitation and propagation will be researched, and the quantitative relationship of the characteristics of the nonlinear Rayleigh waves and the nonlinear coefficients of the material will be analyzed and improved by the experiments. On the other hand, the numerical simulation and the method of testing and imaging of non-classical nonlinear Rayleigh waves caused by the touching micro-destruction on the surface of the material will be researched. Establish an effect and accurate finite difference algorithm and develop a model to precisely describe the nonlinear effect of surface touching micro-destruction, analyze the regular pattern of the scatter fields of the nonlinear Rayleigh waves in different conditions in order to develop the method of testing and signal processing that effectively improve the signal noise ratio and establish the imaging method of the surface micro-destruction by the nonlinear Rayleigh waves. This program will uncover the excitation and propagation mechanism of the nonlinear Rayleigh waves in multi-layered solid and the interaction principle of the micro-destruction and the nonlinear Rayleigh waves. This study is important to promote the nonlinear ultrasonic non-destructive testing and evaluation technique.

本项目基于分层固体结构材料性能退化及微损伤导致的非线性声学问题，开展非线性瑞利波传播理论及检测新方法研究。针对各向同性介质构成的水平分层半空间模型，一方面开展基于材料性能退化的经典非线性瑞利波理论和实验研究，推导一般形式的非线性瑞利波方程，研究非线性瑞利波激发和传播的物理机制，分析非线性瑞利波特性与介质非线性系数间的定量关系，并进行实验验证；另一方面开展基于材料表面接触类微损伤的非经典非线性瑞利波数值模拟和检测与成像方法研究，建立准确高效的有限差分计算方法，研究可以有效表征介质表面接触类微损伤非线性效应的模型，分析不同情况下非线性瑞利波散射声场的变化规律，以此为基础，研究能有效提高信噪比的检测和信号处理方法，建立微损伤的非线性瑞利波成像方法。本项目的研究将揭示分层固体结构中非线性瑞利波的激发和传播规律以及微损伤与非线性瑞利波的相互作用规律，对推动非线性超声无损检测技术的发展具有重要意义。

本项目基于分层固体结构材料性能退化及微损伤导致的非线性声学问题，开展非线性瑞利波传播理论及检测新方法研究。针对各向同性介质构成的水平分层半空间模型，一方面开展基于材料性能退化的经典非线性瑞利波理论和实验研究，推导一般形式的非线性瑞利波方程，研究非线性瑞利波激发和传播的物理机制，分析非线性瑞利波特性与介质非线性系数间的定量关系，并进行实验验证；另一方面开展基于材料表面接触类微损伤的非经典非线性瑞利波数值模拟和检测与成像方法研究，建立准确高效的有限差分计算方法，研究可以有效表征介质表面接触类微损伤非线性效应的模型，分析不同情况下非线性瑞利波散射声场的变化规律，以此为基础，研究能有效提高信噪比的检测和信号处理方法，建立微损伤的非线性瑞利波成像方法。经过研究本项目在以下几方面取得进展：（1）建立了半空间结构中二维非线性声波的传播理论和摄动求解方法，从理论上解释了纵、横波非线性自作用和相互作用规律；（2）建立了分层半空间结构中经典非线性瑞利波激发和传播的理论体系，明确了多模式非线性瑞利波激发和累积性传播的物理机制；（3）研究得到了分层半空间中非线性瑞利波的有限差分及有限元数值仿真模型，分析了非线性瑞利波与材料非线性系数间的对应关系；（4）基于Abaqus软件，建立了介质内部微损伤滋生非经典非线性瑞利波的有限元仿真模型，分析了微损伤滋生非线性声波的规律；（5）将基于非线性应力-应变关系的PM模型拓展到二维空间，进行模拟计算，并研究了非线性微损伤的时间反转成像方法；（6）得到了大功率条件下的换能器非线性响应机制及抑制方法，建立了材料疲劳性能评价的非线性实验系统，对材料疲劳与超声非线性间的关系进行了实验研究。本项目的研究揭示了分层固体结构中非线性瑞利波的激发和传播规律以及微损伤与非线性瑞利波的相互作用规律，对推动非线性超声无损检测技术的发展具有重要意义。