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测量切向应力的L_(CR)波发射、传播过程研究

李健根  
【摘要】: 零件的应力状况既是与加工过程、制造方法有关,也是其过去和现在工作状态的综合结果,是反映机械结构安全性、可靠性的关键,也是影响精密机械系统精度指标的重要因素,是分析、设计和优化零件结构的依据。测量材料或构件的应力分布不仅是分析材料性能和受力状况的基本手段,还可预测构件疲劳状况,检查热处理及表面处理效果,监控加工切削工艺等。实验应力检测分析特别是应力无损检测技术已成为工程界,尤其是机械、宇航、交通、国防和核工业等方面极为重要的课题。 常用超声应力测量技术采用的是体波法和表面波法,由于其固有的局限性,应用范围受到局限。而基于声弹性理论的临界折射纵波(Critically RefractedLongitudinal Wave,LCR Wave)是纵波以第一临界角在分界面入射时形成的超声波,其沿表面以纵波形式传播的特点,使得从被测物体表面检测物体内部的切向正应力成为了可能,能极大地拓展超声应力测量的适应范围。 本文结合声弹性理论和有限元方法,根据声弹性应力测量原理和LCR波切向正应力检测模型,研究临界折射纵波中的波型转换,反射折射角对能量分配的影响,对LCR波的传播过程进行仿真分析。 首先,根据材料参数决定的临界角构建有限元模型,用有限元方法模拟LCR波的激发、传播、接收的整个过程,初步探讨了临界折射纵波的传播机理,分析了传播过程中因折射横波和从底面反射形成伴生多波形的规律。接着,分析了角度对临界折射能量分配的影响,理论上说明了在一定临近角度范围之内能够激发LCR波,解释了实验结果反映的变化规律。最后分析了声波在介质中的传播时间,确定了第一个到达接收端的波为LCR波,为进一步的LCR波应力测量系统研发提供依据。


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