《基於超聲顯微鏡的功能梯度材料力學性能評價方法研究》是依託北京工業大學，由呂炎擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於超聲顯微鏡的功能梯度材料力學性能評價方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：呂炎
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
功能梯度材料(FGM)作為一種關鍵基礎材料，消除了與基體間的非連續性界面，廣泛套用於航空航天、機械工程與生物醫學等領域。隨著研究的不斷深入，發展出一種FGM力學性能的非破壞性檢測方法，實現FGM沿梯度方向力學參數的量化表征，不僅具有重要的學術價值，而且具有廣泛的工程套用前景。超聲顯微鏡作為一種新型的材料力學性能無損評價技術，已被證明為一種可靠的測量手段。本課題擬通過FGM聲學特性的理論分析（包括頻散特性和聲反射特性等），構建功能梯度材料的V(z)曲線模型，建立一種基於無透鏡超聲顯微系統的FGM頻散曲線測量方法，通過分析FGM力學參數的梯度分布與頻散曲線間的內在聯繫，提出一種高效的FGM材料參數最佳化反演算法，達成FGM的多參數聯合反演，從而實現FGM力學參數梯度分布的無損量化表征。
結題摘要
項目緊密圍繞功能梯度材料力學性能的無損評價問題，在功能梯度材料中蘭姆波、類表面波頻散特性的理論分析與計算方法、液體負載下聲反射/透射特性的數值計算和仿真模擬等方面，取得了有益進展，完成了項目預定研究目標。取得的主要成果包括： （1）改進了傳統勒讓德正交多項式展開法的理論模型，求解了力學性能差異較大時多層彈性體中導波的傳播特性，實現了功能梯度材料及覆層結構中導波頻散曲線的不分層求解，保證了任意位置處應力的連續性條件。發展了大頻厚積情況下導波傳播特性的數值分析方法，結合勒讓德級數的正交完備性與遞推特性，有效克服了尋根算法中的漏根現象，迴避了傳統正交多項式法中繁瑣的積分運算環節，並最終揭示了梯度特性對導波頻散曲線的影響機理。 （2）首次融合了勒讓德正交多項式法與子波展開法的思想，有效求解了液/固界面下各向異性板、多層粘接板及功能梯度板中聲反射/透射係數的頻譜及角度譜，探索了諧振頻率與各模態波速之間的內在聯繫，刻畫了功能梯度材料結構特徵與反射特性間的對應關係。深入剖析了拉蓋爾正交多項式展開法處理半無限域結構反射特性的局限性，對液體負載下的均勻覆層與功能梯度材料覆層結構中聲波的傳播進行了理論推導及數值計算，闡明了梯度分布特性對功能梯度材料覆層結構中聲反射係數角度譜、頻譜與位移分布曲線的作用規律。 （3）建立了不同梯度類型的功能梯度材料三明治板理論模型，指出了隨梯度指數的增加，給定範圍內蘭姆波模態的頻散趨勢均趨近於雙層板的變化規律。構建了含特定梯度特徵的三明治結構聲學仿真模型，數值模擬了基於超聲顯微技術的散焦測量實驗，結合V(f, z)分析法，萃取了蘭姆波多模態頻散曲線。仿真結果與正交多項式法計算結果相吻合，深層次地驗證了勒讓德正交多項式級數展開法的穩定性和可靠性，並為基於超聲顯微技術的功能梯度材料無損檢測提供了指導依據，同時也為梯度特性的反演表征奠定了理論基礎。
