結構中微裂紋與超聲波的混頻非線性作用數值仿真研究

李 立， 焦敬品， 吳 斌， 何存富

（北京工業大學 機電學院，北京100124）

1 引 言

對于重大基礎設施的關鍵核心部件，如核電站反應器或航空艙體部件，其結構的完整性對系統的安全運行起著至關重要的作用。為保證這些關鍵部件的完整性，必須在結構出現明顯損傷之前及時發現結構中的早期損傷。作為一種典型的結構早期損傷形式，疲勞裂紋在萌生后可能快速擴展，導致災難性事故，因此，其危害性極大。為保證重大基礎設施的安全性，及時有效地檢測出結構中的疲勞裂紋就顯得極為重要［1］。常規的檢測方法，如磁粉、射線、電渦流、紅外熱成像與超聲波檢測等，可以很好地實現結構中開口裂紋檢測；但對于接觸界面呈閉合狀態的疲勞裂紋檢測，這些常規方法存在分辨力不足、檢測可靠性低以及定量困難等問題。

近些年，在力學、聲學和材料學領域的一些研究進展發現，當超聲波的激勵幅度足夠大時，微裂紋會與超聲波相互作用，產生非線性聲學響應［2］。這種由于缺陷或界面的應力-應變非線性關系引起的非線性稱為接觸非線性，與材料非線性一起作為結構中非線性的主要來源［3］。根據檢測方式，非線性超聲檢測可分為振動聲調制法［4］、諧振法［5］、混頻法［6］和諧波法［7］，其中諧波法應用最為廣泛。但諧波法受檢測系統非線性影響較大，難以分離出檢測信號中因檢測系統非線性產生的諧波響應。混頻法由于其頻率可選和方向可控等特點，對于結構中微裂紋檢測具有特殊優勢。……