基于超声导波的复合材料结构材料特性反演确定

基于超声导波的复合材料结构材料特性反演确定基于超声导波的复合材料结构材料特性反演确定 全日制硕士学位论文基于超声导波的复合材料结构材料特性反演确 定The inversedetermination ofmaterial properties of positestructures basedon ultrasonicguided waves申请人姓名马志娟指导教师禹建功学位类别工学硕士专业名称 机械工程研究方向精密测量技术与仪器河南理工大学机械与动力工 程学院二 一三年六月河南理工大学机械与动力工程学院二 一三 年六月基于超声导波的复合材料结构材料特性反演确定马志娟河南 理工大学TB551密级公开UDC534单位代码10460基于超声导波的复合 材料结构材料特性反演确定The inversedetermination ofmaterial properties of positestructures basedon ultrasonicguided waves申请人姓名马志娟学位类别工学硕士专业名称机械工程研究方 向精密测量技术与仪器导师禹建功职称副教授提交日期xx年年4月答 辩日期xx年年6月河南理工大学学河南理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文基于超声导波的复合材料结构材料 特性反演确定 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含任何其他个人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声 明并表示了谢意 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任 学位论文作者签名 年月日学位论文作者签名 年月日河南理工大学 学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大 学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留和向有关部门 机构或单位送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和 传播 允许采用任何方式公布论文内容 并可以采用影印 缩印 扫描或其他手段保存 汇编 出版本学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权 学位论文作者签名导师签名年月日年月日保密的学位论文在解密后 适用本授权 学位论文作者签名导师签名年月日年月日致谢光阴荏苒 转眼间 三年的研究生生活即将结束 三年的学习生活使我受益匪浅 三年的时间其实也很短暂 回首读研期间以来收集 思索 停滞 修改直至最终完成的过程 这三年将是我人生长河中最宝贵的经 历 我要深深感谢我的导师禹建功老师 禹老师为人谦和 平易近人 在论文的选题 搜集资料和写作阶段 禹老师都倾注了极大的关怀 和鼓励 三年的硕士研究生期间 导师不仅给我创造了良好的学习环境和实 践机会 而且在日常生活中也给予我极大的关怀与帮助 禹老师是个作风上正派 学术上严谨的导师 从他身上我不仅学到 了许多专业方面的知识 而且也学到了为人处事方面的道理 他严谨的治学之风和对事业的孜孜追求将影响和激励我的一生 借此机会 我谨向禹老师致以深深地谢意 在此 还要感谢张小明老师 在生活和学习上都给予我很大帮助 尤其在论文上 张老师细心修改 给我提出很多很好的建议 真心 感谢张老师 感谢丁师兄 读研期间他在生活上和学习上给予我许多关照 每当 我有不会的问题时 他就会细心地给我指导 耐心的讲给我听 直 到我听懂 听明白为止 谢谢师兄 我还要感谢我的父母 多年来对我的学业上的支持和鼓 励 至此致以深深的谢意 感谢曾经给予我帮助的其他老师们 感 谢所有关心 支持 帮助我的亲朋好友们 与此同时我也要在这里感谢这三年以来和我互勉互励的同学 三年 来在诸位同学的共同努力下 始终拥有一个积极向上的学习氛围与 一个良好的生活环境 能在这么一个团队中度过 是我的荣幸 最后感谢所有审阅本论文和参加答辩的老师 专家评委能够在百忙 之中对我的论文提出宝贵的意见和建议 再次致以崇高的敬意和衷心的感谢 祝他们一生幸福 安康 此致敬 礼马志娟河南理工大学xx 3 20I摘要粘弹性材料是一种专门用作阻 尼层的材料 许多现代人造材料 特别是聚合物和复合材料 的行为结合了弹性 材料的储能特性和粘性液体的耗能特性 实际要求需要对这些粘弹 材料的衰减与材料性质 频率之间的关系进行深入研究 功能梯度材料 Functional GradedMaterials 简称FGM 是一种特殊的非均匀材料 其具有优 良的应用性能 应用在航空航天 声学 生物医学 机械等诸多领 域 但由于不同的FGM组分变化各有不同材料特性也呈现不同变化 因此 FGM的特性是否与设计相符及使用时是否退化则成为检测技术亟待 解决的问题 这就要求对该种材料的特性进行检测 反演算法有神经网络 neural work NN 算法 遗传算法 geic algorithm GA 以及模糊逻辑 fuzzy logic FL 算法等 然而这类反演技术的成功应用需要一种高效而精确的前向计算来建 立结构动力学特性与材料特性之间的关系 这种前向计算问题是通过一个数学模型来表示结构的动力学响应 如位移响应 振动频率及波速等 与材料特性之间的复杂关系的 可以由解析或数值方法来解决 继而 如果拥有一系列精确实验测量的结构响应数据 再结合大量 的前向计算 则复合材料的材料特性就可以通过正确构建的反演模 型来辨识 FGM材料的非均匀性给这种前向计算带来了很大的困难 限制了FGM 材料特性反演技术的发展 本文通过一种计算各种连续梯度变化FGM结构导波特性的正交多项式 方法 从而可以反演得到连续梯度变化的组分分布 文中首先采用勒让德多项式级数方法研究了粘弹性正交各向异性空 心圆柱 已知粘性系数 的导波特性和功能梯度结构材料的导波特 性 得到了材料结构的频散曲线 解决了前向计算的问题 然后基于结构频散的多模态导波群速度特性 分别对粘弹性正交各 向异性空心圆柱采用神经网络算法以及对功能梯度结构材料采用神 经网络算法和遗传算法两种算法建立反演模型 通过数值模拟反演了粘弹性正交各向异性空心圆柱弹性常数及功能 梯度结构材料特性的分布函数 并总结了这两种算法的优缺点 在建筑结构领域这种耗能低的材料中 粘弹性材料是一种具粘性液 体与弹性固体特性的高分子聚合材料同时存在的 专门用作阻尼层 的材料 弹性材料虽然能够储存能量 但是它却不能耗散能量 相反 粘性液体具有耗散能量的本领 然而却又不能储存能量 因 此只有介于粘性液体和弹性固体之间的粘弹性材料才能二者兼备 这种材料的研究及应用越来越受到人们的关注 一般复合材料中分散相是均匀分布的 整体材料的性能是统一的 但是在有些情况下 人们常常希望在材料的两侧具有不同的性能和 功能 又希望不同性能的两侧能很好地结合 从而不至于在苛刻的 条件环境下 因材料的性能不匹配而使之破坏 针对这种情况 1987年 日本的新野正之和平井梅雄等多位学者提 出了功能梯度材料的新设想和新概念 1 功能梯度材料 Functionally GradientMaterials 简称FGM 是根据具体的要求 选择使用具有 两种不同性能的材料 再通过连续地改变这两种材料的组成和结构 从而得到的功能及结构呈现连续变化的一种非均质材料 图1 1和图1 2 2 以达到缓和热应力 耐热和绝热的目的 也可以说功能梯度材料 FGM 是一种特制的 集各种单一组元 例如 金属 陶瓷 微孔和纤维 之最大优点为获得特殊性能的新型耐热 材料 图图1 1功能梯度材料的构建形式Fig 1 1The constructingform ofFGM图图1 2FGM的组分分布示意图Fig 1 2Volume fractiondistributionofFGM功能梯度材料的最早应用提出是为了解 决高速航空航天器中材料的热应力缓河南理工大学硕士学位论文2和 问题 后来 随着材料技术的不断发展 功能梯度材料的应用也不 断扩展到其它各个领域 1 1 2粘弹性材料及功能梯度材料应用随着化学化工和材料工业的发 展 粘弹性材料在船舶武备 机械工程 电子 航空和航天 车辆 工程 家用电器及高层建筑等都具广泛应用价值 功能梯度材料 FGM 最早应用在缓和热应力 高温环境 特别是应用 于材料的两侧温差相对比较大的环境 其耐热性 可靠性和再用性 是以往生产和研究中使用陶瓷基复合材料所不可比拟的 FGM是通过金属 陶瓷 塑料等无机物与有机物的巧妙组合 使其在 各个领域具有广阔的研究领域和应用前景 3 航空航天工程 航空航天热防护领域是最先应用功能梯度材料的领 域 航天飞机往返大气层 飞行速度超过马赫 全称马赫数 英文简称M 数 25时 机头的前端以及机翼的前沿处表面的温度高达2000 以前的组合式的复合材料热防护系统大多数采用的是以陶瓷为主 除了无法重复使用外 存在很大问题对整个系统的可靠性 例如经 常就发现飞机在太空中时出现热防护块的脱落现象 金属 陶瓷功能梯度结构材料可像金属一样进行开孔连接或着直接焊接 从而解决了上述那些问题 另外 军事上功能梯度结构材料已经不仅仅限于隔热材料 像美国 俄罗斯这样的军事强国鉴于FGM材料的特点开发具有声隐身与电磁 波隐身性能的梯度结构吸波材料 4 船舶方面 在舰船甲板上可采用含热障的 抗摩擦或抗冲击的梯度 功能材料涂层 或设计连续增强纤维排列的逐级梯度 显著提高它 们的缺口阻力 抑制微观裂纹扩张 大幅改善甲板的抗高应变速率 变形和冲击性能 对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义 光学器件方面 FGM推动一个新的科学分支 光学分支 梯度折射率光学的形成 大量应用在光学器件中 梯度折射率透镜的体积小 焦距短及消像差性好 组成的光学系统 可以大大地减少非球面的组件数 可以简化光学器件结构 梯度折射率光纤可自聚焦 提高耦合效率 并且陶瓷 金属功能梯度结构材料已经用于非线性光电子材料 通过把具有电 光学 磁光学效应的材料加入到光学材料中的方法 可以使新的光 学部件和光记忆材料的制造成为可能 5 生物工程领域 功能梯度生物体的植入材料在植牙中应用 促使治 愈时间缩短 齿根牢固 不易破坏 应用在人工骨关节上 使得假体与骨之间具有较强的1绪论3结合力 且耐用 表现出良好的生物相容性 还具有较良好的自愈合 再生及修复等特性 6 8 化学工业领域 陶瓷 金属功能梯度材料制造的高性能分离膜和催化剂因具有高强度 寿 命高 耐腐蚀和耐热的优点 9 10 可将构造较简单的化合物合成所需要的化学工业原料 光 电 磁工程领域 在电真空器件中用于封接石英玻璃外壳及金 属电极的材料采用的是梯度封接合金材料 不仅具有与钨极一样的 导电性 而且又能与灯壳体达到良好的匹配封接 并能保证灯壳与 电极间的绝缘性 从而提高了大功率灯泡的使用寿命 功能梯度折射材料在复印机投射 光纤接口 大功率激光棒中的应 用 得到了较好的光电效应并缓和了热应力 功能梯度材料在永磁体 磁盘 振荡器 电磁体上的应用 可以减 少体积和质量 提高性能 11 机械工程领域 外硬内韧的梯度切削刀具有着良好的综合性能 刀 具的使用寿命长 切割效率高 与硬质合金刀具相比 其耐磨性提 高了2倍 寿命提高了5倍 功能梯度涂层应用在抛光刀具 微型钻 头上 使其冲击韧性和使用寿命得到了较大幅度的提高 功能梯度材料在地质钻探工具上的应用实现了地质钻探工具的高强 度 高韧性 高耐磨性的统一 具有优异的综合性能 12 此外 功能梯度材料还可以应用在能源及电气工程领域 核反应方 面 汽车方面 电子材料方面等 1 1 3研究背景及意义功能梯度结构材料的关键特点控制界面的成分 和组织连续变化 使材料的热应力大为缓和等 其在诸多领域得到 广泛应用 进而 对其性能的改进要求越来越高 这就要求对该种材料的特性 进行检测时使用更先进的检测方法 尽管功能梯度材料具有优良的性能 但是由于工艺等方面的限制 在制造过程中会不可避免地产生各种缺陷 并最终导致裂纹的形成 和扩展 功能梯度材料往往应用在温差大 应力高 腐蚀性强等恶劣环境下 裂纹的扩展速度快 如果不能及时地检测缺陷的存在 这将会给 材料所处的整个系统带来巨大损失 而且 由于材料的非均匀性 这种缺陷往往发生在结构的内部 不 易发觉 另外 由于不同的FGM组分变化各有不同 材料特性也呈现不同变化 希望在制造出FGM之后测量其材料的特性是否与设计相符及使用时 是否退化 这些都希望快速而廉价的检测方法测量其材料中的缺陷及材料特性 河南理工大学硕士学位论文4超声波 13 是指频率高于20000Hz的声 波 超声波频率很高 由此决定了超声波具有一些很重要的特性 使其能广泛的应用于无损检测 超声波具有方向性好 能量高 其能在界面上产生反射 折射 衍 射和波形转换 穿透能力强等特性 可用于机械加工 焊接 化学工业利用超声波催化 清洗等 农业 上利用超声波促进种子发芽 医学上利用超声波进行诊断 消毒等 固体中的超声波按介质有无边界分类可以分为体波和超声导波 14 两种 在无限均匀介质中传播的波称为体波 体波可分为纵波 SH 和横波 SV 导波可以分为表面波 Lamb波和界面波 表面波又分Reyleigh 波 Love波及Stoneley波 超声波按波型可以分为纵波 横波 板波 表面波 如图1 3中所示 当超声波传播的介质被局限在板状 管状或棒状介质的边界内 边 界会对超声波产生反复不断的反射 这样就能形成看似新的超声波 类型 导波 15 16 超声导波特点是可以通过一个很小的检测区域对周围一定范围内进 行100 的面积及超声导波深度覆盖性检测 由于其检测效率高 现 场灵活性好 具有一定的检测灵敏度及定位精度 传播距离远 速 度快等 因此 在大型板材和管材等结构中具有良好的应用前景 图图1 3超声波的分类Fig 1 3Classification ofultrasonic wave兰姆波 Lamb波 是水平方向传播的惯性声波 由于兰姆波 Lamb波 在传播时受到板的上下界面的影响 因此Lam b波声速与纵波 横波 表面波不同 其不仅与介质的性质有关 且 还与板厚 频率等其它条件有关 兰姆波 Lamb波 的声速分为相速度和群速度 相速度为振动相位传播的速度 它是对单一频率连续谐振波定义的 传播速度 群速度是指多个相差不大的频率的声波在同一个介质中 传播时相互合成后的包络线的传播速度 实际应用中 如果是频率单一的连续波 则Lamb波声速就是相速度 如果是脉冲波 则Lamb波声速就是群速度 因为实质上一个脉冲 波就是可以分解为多个不同频率的谐振波的叠加的波 如表1 1所示 1绪论5表表1 1兰姆波类型Tab 1 1Classification ofLamb wave波的类型质点振动特点对称型 S型 上下表面椭圆运动 中心 纵向振动板波 兰姆波 非对称型 A型 上下表面椭圆运动 中心 横向振动基于超声波基础之上建立确定材料特性的方法有很多 比如人工神经网络技术 17 基因遗传算法 18 模糊算法 19 以 及它们之间的组合以及利用材料结构健康监测器 20 等来检测材料 特性 这些方法在不少文献报道中都曾提及过 本文采用超声导波和神经网络相结合反演正交各向异性圆柱弹性常 数 超声导波结合神经网络以及超声导波和遗传算法相结合两种方 式的算法反演出拟合多项式的分布函数 即可确定功能梯度结构材 料的材料特性 超声导波具有频散特性和多模态特性 其是超声导波的固有特性 超声波频散特性主要通过绘制出的频散曲线来分析得到的 粘弹性 正交各向异性频散曲线是通过弹性常数利用前向计算公式得出的 而功能梯度材料频散曲线是通过材料组分分布利用前向公式计算得 出 频散特性就是导波的群速度 或相速度 随着导波频率或材料体积 含量或弹性常数不同而不同 超声波频散特性是导波应用于功能梯度结构材料无损检测技术的主 要依据 同样 导波的频散方程也反映了超声导波的频散特性 导波在介质 中的传播特性和介质的特性有很大关系 多模态的产生超声导波在介质中传播时 由于介质的边界存在或表 面缺陷的存在 并且在介质边界两边的介质性质不同 这两种原因 会致使超声导波在传播过程中被来回的反射 折射和散射 比如横 波 SV波 和纵波 P波 它们通过超声波发射器进入介质内部 在介 质的边界上面来回反射 散射 横波 SV波 被反射以后形成SV波和P 波 P波被反射后也能形成SV波和P波 并且由于散射的存在 会致 使这两种波的折射波 散射波在介质内部传播过程中速度有所不同 直线传播是最快的 而且波的传播方向与介质边界之间 夹角越小则传播速度就越快 夹角越大传播速度就越慢 由于波传播速度的不同 且又由于折射 波 散射波的增强和减弱作用就会致使在介质内部传播时形成许多 个波包 每一种波包就是一种模态 所以这两种性质就是分析材料特性的最重要的理论依据 本文研究内容属于无损检测范畴 无损检测 简称NDT Non destructive testing 就是利用声 光 磁和电等特性 在不损害或不影响 被检对象使用性能的前提下 检测被检对象中是否存在缺陷或不均 匀性 给出缺陷的大小 位置 河南理工大学硕士学位论文6性质和 数量等信息 进而判定被检对象所处技术状态 如合格与否 剩余 寿命等 的所有技术手段的总称 无损检测是工业发展中必不可少的有效工具 其在一定程度上反映 了一个国家的工业发展水平 其重要性已得到公认 由于检测方法多样 各种方法都具有一定的特点 为提高检测结果 的可靠性 本文研究的目的是通过事实说明超声导波结合神经网络 反演粘弹性正交各向异性空心圆柱弹性常数 超声导波结合神经网 络和遗传算法反演确定拟合分布函数的多项式的系数 即功能梯度 结构材料特性的方法的可行性 可靠性 对于材料特性的检测在工业及其各个领域都具有重要的现实意义 众所周知 采用破坏性检测 在检测完成的同时 试件也被破坏了 因此破坏性检测只能用于抽样检验 与破坏性检测不同 无损检测不需要损坏试件就能完成检测过程 因此无损检测能够对产品进行百分之百或逐件检验 许多重要的材 料 结构或产品 都必须保证万无一失 只有采用无损检测手段 才能为质量提供有效保证 即使是设计和制造质量都符合规范要求的产品 在经过一段时间的 使用后 也有可能发生破坏事故 为了保障使用安全 对重要的设备 构件 零部件 必须定期进行 检验 及时发现缺陷 避免事故发生 因而无损检测就是这些重要 设备 构件 零部件定期检验的主要内容和发现缺陷的最有效手段 在产品制造过程中进行无损检测 往往被认为要增加检验费用 从 而使制造成本增加 可是如果在制造过程中间的适当环节正确地进行无损检测 就是防 止以后工序浪费 减少返工 减低废品率 从而降低成本 人类在制造产品的时候 首先要清楚选择什么样的材料才符合制造 的产品性能要求 而所要选择的材料要经过严格的测试 检测出它 们的各项参数 如弹性模量 强度等等 只要知道这些参数 才能 知道这种材料是否符合要求 其次 对于新开发的新型材料 FGM组分体积含量的不同材料的特性 不同 其呈光滑变化的特点带来了减小残余应力 缓和应力集中和 增强黏结强度等各种优势 而FGM内部梯度分布形式的多样性 如各 种指数型变化 各种幂函数型变化 又可以派生出各种不同梯度变 化形式的FGM以适应不同的工作环境 使得FGM有着广阔的应用前景 检测其参数之后 就可以知道其材料组成成分以及能应用于何种场 合 满足什么样的要求 尤其在一些重要的 特殊的场合 如航空 航天 精密工程领域 生物医学领域 核工业等 对于重要材料的 更新换代有着极其重要的意义 随着功能梯度材料的广泛研究 必将展示它的巨大潜力 必将极大 地推动材料科学与技术乃至国民经济的发展 1绪论71 2国内外研究现状粘弹性材料是材料的长期力学行为 同时 也是高温等特殊条件下材料的一个重要指标 对粘弹性的研究是建立在适当的模型基础上 建立和改进模型需要 依据实验结果 实际设计需要有关数据与设计参数 因此近年来粘 弹性实验研究受到学者们的普遍关注 S Maghous GJ Greus在时间域中运用均匀化方法 得到了粘弹性多 层材料的有效松弛模量的表达式 Brock enbrough等人应用有限元方法考察了纤维的排列方式对复合材料的 总体粘弹性和塑性性能的影响 而对于FGM 尽管FGM的概念是近二十年才提出的 但其优良的材料 性能及广阔应用前景已经吸引了很多国内外学者 目前关于FGM的研究主要集中在材料制备和各种力学问题的计算与分 析上 在FGM材料制备与各种力学问题的研究有了长足发展的基础上 FGM 材料特性的检测技术研究也取得了一些有价值的研究成果 Liu等 21 22 针对linearly inhomogeneouselements LIEs 模型 设计了一种神经网络算法 建 立了FGM的等效材料特性参数与结构瞬态位移之间的关系 使得通过 瞬态位移可以反演求得FGM的等效材料参数 同样是应用LIEs模型 Han等用汉密尔顿原理建立频散方程 分别针 对FGM空心圆柱体 23 和FGM压电空心圆柱体 24 求得了不同壁厚时 的瞬态动力响应 然后通过傅立叶变换求得波数 频率频散曲线以及群速度频散曲线 Han和Liu等 25 26 开发了QLEs quadratic layerelements 模型 把原来每个单元的材料特性呈线性变化改为 单元的材料特性呈二次多项式变化 即用二次插值来近似整体的任 意梯度变化 结合混合数值方法求得FGM的瞬态动力响应 解得了FG M板中SH波的特性 27 并使用基因算法反演计算了FGM材料特性的 等效参数 25 Liu等 28 用QLEs模型求得了FGM压电板的波数 频率频散曲线 相速度 群速度频散曲线及波结构 这种用分段插值来近似计算FGM动力特性的方法相对原来的均匀层方 法 所分层数大大减少 计算量也随之降低 但对于任意梯度变化 的FGM结构 针对每一种不同的梯度场要设计不同的分层方法 梯度 变化函数中曲率大的部分要多分层 才能最大限度的降低计算成本 而且 要达到高的计算精度仍然要多分层 这些都会增加计算量 上述的研究是通过混合数值法对波的传播特性进行理论研究和计算 的 另外接下来是通过有限 谱 单元法研究的 Chakraborty等 29 30 基于一阶剪切变形理论开发了一种材料特性呈梯度变化的谱单元 研究了功能梯度梁中的波动特性 通过数值算例论证了这种谱单 元的可靠性和优越性 给出了截止频率的近似表达河南理工大学硕 士学位论文8式 说明了在通常的一阶剪切变形理论下被忽略了的 具有相当大幅度的厚度方向的正应力 并且论证了热负载对波传播 特性有较大的影响 进而 Chakraborty等 31 用这种谱单元的模型研究了波在材料特性 沿长度方向变化的FGM梁的传播 即波的传播方向和材料梯度方向一 致时的波动特性 提出了这种情况下计算波数和波幅的方法以及材 料梯度特性对波数和群速度的影响 通过复波数研究了波在FGM中的 衰减 指出复波数的虚部反映的就是波幅衰减 并更有力得证明了F GM中应力呈光滑变化的现象 在此基础上 Chakraborty等 32 结合部分波分析法和线性代数的理 论开发了层谱单元Spectral LayerElement SLE 研究了各向异性非均匀多层介质中的应力分配 和Lamb波的传播 指出材料特性的梯度变化将会提高Lamb波模态的 截止频率 因而在一定的频率范围内能激励出的模态数减少 结合 快速傅立叶变换和傅立叶级数 使用约束非线性优化技术反演得到 了FGM的等效材料特性 使用传递函数法识别了系统的冲击力 谱单元方法的局限性在于建立复杂结构的谱单元模型往往比较困难 网格难以划分 这也是目前谱单元多数应用于一维结构的原因 谱单元方法目前还处于起步阶段 相关研究人员也越来越多 将可 能成为求解波动问题越来越重要的工具 Michael H Santare 33 等开发了一种有限梯度单元 即单元内部材料特性呈 梯度变化 并用于研究FGM中的波动特性 34 论证了这种单元相 对于传统的分层均匀单元的优势 Yang等根据小波变换提取的Lamb波信号特征 采用神经网络方法检 测了正交各向异性 35 和纤维增强型 36 复合管 Xu等 37 基于有限元计算得到的表面位移响应 采用神经网络方法 确定了薄膜 基体结构的弹性特性 Vishnuvardhan等 38 39 基于Lamb波相速度和遗传算法反演确定了各向异性板的弹性常数 Nakamura等 40 和Gu等 41 采用微压痕方法结合卡尔曼滤波技术检 测了FGM覆层的弹性及弹塑性特性 Kumar等 42 Chudoba等 43 和Linss等 44 研究了利用纳米压痕技 术检测FGM覆层的硬度及弹性模量等材料特性 Choi等 45 采用有限元方法模拟了压痕技术应用于塑性FGM覆层的材 料特性检测 这类压痕检测技术检测成本较高 且假定所检测位置的材料特性与 其余位置相同 另外 这种检测技术仅适用于覆层结构和薄膜结构 Butcher等 46 采用超声纵波测量了FGM的材料特性 对于该种检测方法是利用纵波波速和材料弹性常数以及密度的关系 在沿着材料梯度的方向上进行多点采样检测 沿着波的传播方向 上材料没有梯度性质 的 根据所测波速来确定各点的材料常数 这种检测方法显然是不能体现出超声无损检测快捷 廉价的优势 Marur与Tippur 47 对FGM在沿着材料梯度的方向上1绪论9进行了多 点弹性冲击的实验 沿冲击方向 材料没有梯度性质 建立了加 速度和材料特性常数之间的关系 根据所测得的加速度确定各点的 材料常数 显然 这两种方法仅适合检测沿梯度方向有足够长度的FGM结构 Jiang等 48 采用神经网络模型预测了纤维增强型聚酰胺复合材料的 力学性能和耐磨损性能 Han等 49 基于二次条单元方法计算得到的表面位移响应 采用遗传 算法反演确定了FGM板的材料特性 Liu等 50 基于线性条单元计算得到的位移响应 采用非线性最小二 乘法反演了FGM板的材料特性 Liu等 51 和Han等 52 基于线性条单元计算得到的位移响应结合神 经网络方法分别反演了FGM板和空心圆柱的材料特性 并在反演过程 中考虑了测量误差的影响 Liu等 53 还结合非线性最小二乘法和遗传算法反演确定了FGM板的 材料特性 Chakraborty和Gopalakrishnan 54 基于层谱单元技术计算的Lamb波 位移响应结合非线性优化技术估算了FGM板的材料特性 Yang和Liu 55 基于结构的频率响应采用遗传算法反演确定了印刷电 路板的材料特性 Puthillath等 56 利用不同角度发射的超声信号结合遗传算法反演 了聚合物基多层复合结构的弹性模量 Prabhakar R marur 57 对功能梯度材料进行多点弹性冲击实验 沿着冲击方向 材料没有梯度性质 建立了实验过程中加速度与材料特性常数 之间的关系 根据测得的加速度确定各点材料常数 Liu等 58 60 采用神经网络和基因算法建立了FGM的材料体积分数和瞬态位移 响应之间关系的模型 通过测量位移响应确定功能梯度材料中若干 离散点处的材料的体积分数 Peter Lukas等 61 选用中子衍射法所测得的FGM主要相特异性应力的残余 应力分布 Fu等 62 对于有梯度防热涂层的杆件进行了热冲击的实验 依据声 发射原理测量了构件中不同大小裂纹的数量 Liu等 63 根据混和数值方法计算所得的表面位移响应 通过神经网 络方法检测了各向异性多层板的弹性常数 Kim等 64 采用神经网络方法预测了梯度奥氏体不锈钢的材料特性 Liu和Han等 21 22 采用神经网络模型建立FGM的材料组分分布和瞬态位移响应之间 关系的模型 通过测量位移响应可以确定FGM的组分分布 1 3课题与本文工作本课题国家自然科学基金项目 基于导波与模态 分析的功能梯度结构材料特性的反演确定 项目编号11272115 本文研究内容是超声导波具有频散特性和多模态特性 利用超声导 波的这两种特性并结合神经网络算法反演粘弹性正交各向异性空心 圆柱 已知粘性系数 河南理工大学硕士学位论文10弹性常数 超 声导波结合神经网络和遗传算法反演确定功能梯度材料板拟合分布 函数的多项式的系数 即可确定功能梯度结构材料的材料特性 第二章推导了超声导波理论群速度的计算公式和超声导波在功能梯 度结构板中的波动特性 粘弹性正交各向异性空心圆柱周向波 分 析的目的是研究超声导波在薄板中的传播特性 为下文绘制频散曲 线以及反演做理论支持与铺垫 第三章研究了超声导波结合神经网 络方法反演粘弹性正交各向异性空心圆柱弹性常数 以及超声导波 结合神经网络反演确定材料的拟合分布函数的多项式的系数 即可 得到功能梯度结构材料的特性 第四章研究了超声导波结合遗传算 法反演拟合分布函数的多项式的系数 即可得到功能梯度结构材料 的特性 本文研究的是不同的超声导波波型和频率对群速度的影响及弹性常 数的变化对群速度的影响 研究导波群速度和材料体积含量的关系 以及梯度函数的变化对群速度的影响 编写出反演正交各向异性弹 性常数和功能梯度板材料特性的Mathematica 65 和Matlab程序 2功能梯度结构中导波波动特性112功能梯度结构中导波波动特性本 章基于勒让德多项式方法研究了功能梯度结构中导波的传播特性 首先研究了功能梯度板中导波的波动控制方程和群速度计算公式 分析了粘弹性正交各向异性空心圆柱周向波 为下文的导波敏感度 分析和反演提供理论基础 2 1功能梯度板中导波特性2 1 1基本方程和求解基于3维弹性体理论 考虑一材料特性沿厚度呈梯度变化 无限长 厚度h的功能梯度板 如图2 1所示 采用笛卡尔坐标 x yz 原点设在材料的上表面 波的传播方向为x z为深度方向 图图2 1功能梯度材料板及坐标系Fig 2 1A functionallygradedmateria