多層粘接結(jié)構(gòu)界面形態(tài)檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種多層粘接結(jié)構(gòu)界面形態(tài)檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粘接結(jié)構(gòu)在機械、電子、建筑、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。針對不同材料 的粘接，選用的粘接劑以及粘接質(zhì)量控制技術(shù)也有所不同。粘接劑選用不當(dāng)、粘接界面的處 理技術(shù)不過關(guān)等因素極有可能造成粘接強度的下降，嚴(yán)重影響粘接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。為保 證粘接結(jié)構(gòu)在服役過程中的機械強度與穩(wěn)定性，必須要對粘接界面的性能進行無損檢測與 評估。因此，針對粘接界面力學(xué)行為及其表征技術(shù)的研宄具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
[0003] -般地，粘接界面的結(jié)合形式可細分為五種不同形態(tài)，即剛性連接界面、弱粘接界 面、滑移界面、接觸界面以及脫粘界面。彈簧模型適用于小位移及小變形的固體結(jié)構(gòu)，因此， 粘接結(jié)構(gòu)的粘接界面可用彈簧模型進行研宄。界面的剛度則是評價界面粘接質(zhì)量的關(guān)鍵因 素之一，依據(jù)彈簧模型邊界條件，若將界面的法向剛度系數(shù)KN與切向剛度系數(shù)KT組合，并 對其（法向與切向剛度系數(shù)）賦予不同的數(shù)值，則可從數(shù)學(xué)上間接表征粘接界面的力學(xué)狀 態(tài)。對于剛性連接界面，界面上切向和法向的位移和應(yīng)力連續(xù)，界面剛度條件滿足 Kt-m ;弱粘接界面能傳遞各應(yīng)力分量，其界面上的剛度邊界條件應(yīng)滿足：0<Kn<c?，〇〈Kt<0 ;滑移界面上法向的位移和應(yīng)力連續(xù)，切向應(yīng)力為零，切向位移不連續(xù)，其界面剛度邊 界條件為Kt- 〇 ;接觸界面只能傳遞部分法向正應(yīng)力，其界面剛度條件可表示為： 0 <KN<m，KT- 0 ;完全脫粘是理想分離狀態(tài)，界面上的法向和切向應(yīng)力均為零，因此，其 剛度邊界條件為：KN- 0，KT- 0。需要特別指出，符號并非表示取值無限大，而是指要 大于或等于粘接結(jié)構(gòu)界面為剛性連接時所能達到的最大剛度值。
[0004] 近年來利用超聲波檢測粘接結(jié)構(gòu)界面的研宄已取得了一定進展，證實了利用超聲 波檢測粘接界面的可行性及發(fā)展?jié)摿?。但目前所有的研宄成果中主要是對粘接界面的?性連接界面、弱粘接界面和脫粘界面進行區(qū)分，很少部分機構(gòu)研宄了接觸界面和滑移界面。 Qiu等學(xué)者在 2012 年ActaMechanicaSinica發(fā)表的文章"Ultrasonicbeamsteering usingNeumannboundaryconditioninmultiplysics''，Murashov在 2014 年P(guān)olymer ScienceSeries發(fā)表的文章''Identificationofareasofabsenceofadhesive bondingbetweenlayersinmultilayerstructures"和李明軒等學(xué)者在 2013 年應(yīng)用聲 學(xué)發(fā)表的文章"粘接界面特性的超聲檢測與評價"等發(fā)表的文章或公開的研宄成果僅研宄 了剛性連接界面、弱粘接界面或脫粘界面，并未為鑒別上述五種界面（剛性連接界面、弱粘 接界面、滑移界面、接觸界面以及脫粘界面）提供有效的辨別方法。本發(fā)明的目的就是基于 波傳播的控制方程，將粘接界面的力學(xué)特性用法向和切向剛度系數(shù)（KjPKT)進行表征，推 導(dǎo)出超聲縱波入射時，三層粘接結(jié)構(gòu)中縱波和橫波的反射與透射系數(shù)表達式。通過分析聲 波經(jīng)過不同形態(tài)界面時的反射和透射回波的反射和透射系數(shù)變化較為敏感的特點，對粘接 結(jié)構(gòu)界面處于何種形態(tài)的鑒別給出一種切實可行的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了對先進粘接結(jié)構(gòu)的界面健康狀況進行評估，提出一種用于粘 接界面形態(tài)鑒別的超聲波測量方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括以下步驟：
[0007] 1. 1.對于各向同性彈性固體介質(zhì)，若忽略體力，Navier波動控制方程、本構(gòu)方程 以及縱波和橫波（此處及下文提及的橫波均指SV橫波）的位移勢函數(shù)P和！D可分別寫為 等式（1)、等式⑵以及等式（3)。
【主權(quán)項】
1.多層粘接結(jié)構(gòu)界面形態(tài)檢測方法，其特征在于：該方法包括以下步驟： 1.1.對于各向同性彈性固體介質(zhì)，若忽略體力，Navier波動控制方程、本構(gòu)方程以及 縱波和橫波的位移勢函數(shù)9和步分別寫為等式（1)、等式（2)以及等式（3);
位移分量，〇 JP T xy分別為沿著X和y方向的應(yīng)力分量；p為材料密度，t為時間；A和 U分別為固體介質(zhì)的Lame常數(shù)； 1. 2.將步驟I. 1中的等式（3)代入等式（1)，則可得到縱波和橫波的位移勢函數(shù)與波 速的關(guān)系表達式（4);
其中，(；和Csv分別為固體中的縱波與橫波波速； 1.3.將步驟1.1中的等式（3)代入等式（2)，可得到用位移勢函數(shù)表示的應(yīng)力表達式 (5)；
1. 4.對于各層具有不同物理性質(zhì)的粘接結(jié)構(gòu)，將基體1、基體2以及粘接層O中縱波和 橫波的位移勢函數(shù)定義為表達式(6)的形式；
其中，k 為波數(shù)，《 為角頻率；gn (x) Ag12(X)Agtll (x)、Sci2(X)Ag21(X)Ag22 (x)為未知函數(shù)， 表示波動沿X方向有確定的分布；奶和It i、科和。、％和步2分別為基體1、粘接層O、基 體2中的縱波和橫波的位移勢函數(shù)； 1. 5.步驟1. 4中的表達式（6)需要滿足步驟1. 2中的表達式（4)，因此，將表達式（6) 代入表達式（4)，可以得出含有未知函數(shù)的二階線性微分方程組（7);
的縱波和橫波的波速；c = ?/k為聲波沿界面的傳播速度； 1. 6.針對步驟1. 5中的表達式（7)，求出其通解；將通解代入步驟1. 4中的等式（6)， 則得到基體1、粘接層〇、基體2中的勢函數(shù)表達式的具體形式（8);
其中，A11為基體1中的入射縱波的幅值，A 12、B12分別為反射縱、橫波的幅值;A d、Atl2和 Bc^ Btl2分別為為粘接層0中的入射、反射縱波的幅值和入射、反射橫波的幅值;A 21、B21分別 為基體2中的透射縱、橫波的幅值； 1. 7.由于基體1和基體2為半無限各向同性固體介質(zhì)，因此基體1的上界面和基體2 的下界面上的應(yīng)力和位移無需考慮；對于界面1和界面2,用剛度系數(shù)Kn(1)、& (1)和Kn(2)、Kt (2) 來分別描述基體1和粘接層〇以及粘接層〇和基體2之間粘接界面的力學(xué)特性，這里，Kn(1)、 心(1)和KN(2)、KT (2)分別為界面1和界面2上的法向與切向的剛度系數(shù)；此種條件下，界面連 接條件寫為表達式（9)的形式；
式中，j = 1或2分別表示界面1或界面2,符號" + "或表示界面1或界面2的上 側(cè)與下側(cè)，其余參數(shù)的含義已定義；如前所述，通過改變切向與法向剛度系數(shù)的值來間接表 征界面的連接形式； 1. 8.將步驟I. 1中的表達式（3)、步驟1. 3中的表達式（5)、步驟1. 6中的表達式（8) 和步驟1. 7中的界面連接條件表達式（9)進行組合，得到包含界面切向與法向剛度系數(shù)以
其中，A JP y p Atl和y p A 2和y 2分別為基體1、粘接層〇、基體2的Lame常數(shù)；i 為虛數(shù)； 1.9. 一般地，入射縱波的振幅A11會給定，因此，表達式（10)變?yōu)楹邪藗€未知數(shù)（A12、 B12、Aq1、AQ2、Bq1、BQ2、A21、B21)的方程組，將此八個未知數(shù)用 A1JP K N(1)、Kt(1)、Kn(2)、Kt(2)表示， 并利用Mathematica軟件求解方程組，最后可以得到縱波入射的情況下，粘接結(jié)構(gòu)中縱、橫 波的反射與透射系數(shù)表達式（11);
這里，Rn、Rlt和T u、Tlt分別為縱波和橫波的反射與透射系數(shù)，其中R表示反射系數(shù)，T 表示透射系數(shù)；第一個下標(biāo)表示入射波型，第二個下標(biāo)表示反射或透射波型；例如Rlt指采 用縱波入射所產(chǎn)生的橫波的反射系數(shù)；T lt指采用縱波入射所產(chǎn)生的橫波的透射系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層粘接結(jié)構(gòu)界面形態(tài)檢測方法，其特征在于：所述橫波為 SV橫波。
【專利摘要】多層粘接結(jié)構(gòu)界面形態(tài)檢測方法，本發(fā)明基于波傳播的控制方程，將粘接界面的力學(xué)特性用法向和切向剛度系數(shù)進行表征，推導(dǎo)了超聲縱波入射時，多層粘接結(jié)構(gòu)中縱波和橫波的反射和透射系數(shù)表達式。以鋁-環(huán)氧樹脂-鋁粘接結(jié)構(gòu)為例，在縱波的入射頻率f和粘接層的厚度h分別固定在某一特定值時，分析了入射角度與不同界面形態(tài)下的縱波與橫波的反射、透射特性的關(guān)系；同樣地，將縱波的入射角度取0°和30°的情況下，討論了頻厚積對聲波反射、透射特性的影響。同時，對采用何種方式鑒別界面形態(tài)進行了闡釋。相對于其它檢測方法，本發(fā)明的優(yōu)勢在于提供了一種簡單有效、切實可行的方法用于鑒別粘接結(jié)構(gòu)的界面形態(tài)。
【IPC分類】G01N29-04, G01N29-44
【公開號】CN104820017
【申請?zhí)枴緾N201510202670
【發(fā)明人】吳斌, 丁俊才, 何存富
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月26日