缺陷对玄武岩中声波波速影响的实验研究

岩体是具有多种微结构的复杂体,具有明显的频散效应.过去的研究基本上将岩体中的孔隙率作为研究岩体微观结构的参数,这种方法无法考虑到岩体中细观缺陷的局部影响.本文选用水泥砂浆为参考材料,通过在试件中预制裂缝来研究含缺陷玄武岩的弹性波传播特性.对含不同裂缝的试样进行了5种频率的声波测试.结果表明:缺陷对玄武岩的弹性波频散效应影响很大,随缺陷所占比例的增大而增大.同时单轴加载下的弹性波测试则说明,在0～20MPa范围内,玄武岩弹性波波速随压力增大开始时候有一定幅度的升高,到8MPa以后由于玄武岩硬度相对较高,波速基本保持在一定水平.     

载荷作用下泡沫铝的波速与变形关系的实验研究

对单轴压缩下两种密度的泡沫铝进行了三种频率(50kHz、200kHz和300kHz)的声波测试,同时运用CCD对实验进行跟踪拍摄。分析结果表明:P波波速随载荷增大而增加,当载荷达到屈服力时,波速有所下降;S波有相同趋势,但变化比P波小。应用数字图像相关方法对CCD拍摄图片进行处理,得到不同载荷阶段下泡沫铝的全场应变;采用Weibull函数对全场应变分布进行拟合,研究了Weibull分布参数随载荷变化的规律。由此,初步建立了载荷作用下材料结构变化与波速的关系。此研究对于声波探测领域有很好的指导意义。     

饱和岩石滞弹性弛豫机理的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波的传播。实验时固定静载为100N,正弦波动载荷恒为60N,将总载荷控制在屈服点以下。在温度为-50℃~90℃,升温速率保持在1℃/分,频率为5Hz~400Hz的条件下,对饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩样品进行单轴循环加载实验,获得饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩的衰减、虚模量、实模量、波速与温度和频率以及动载荷的关系。以此研究了饱和多孔岩石的衰减和虚模量、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的动态响应。取得了随频率增高,饱和多孔岩石的衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫机制。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有频散效应;杨氏模量和弹性波波速随动载荷振幅的增大而降低。这些结果与低频共振的驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律具有一定的普适性。     

含梯度渐变残余应力的弹性半无限体的广义Rayleigh波

研究含梯度残余应力的弹性半无限体的平面应变型表面波,即广义Rayleigh波。将该结构等效为含梯度初应力的弹性覆盖层和无初应力的弹性基底构成的半无限体结构。求得覆盖层中位移函数的幂级数解与均质基底位移函数的解析解,并代入边界条件,得到频散方程。针对拉、压残余应力,分别讨论了其随厚度方向均匀分布、线性变化和指数变化情况下广义Rayleigh波的一阶模态频散特性。数值结果表明:随着拉应力增大,广义Rayleigh波波速会增加,反之,压应力的增大会导致波速的降低;残余应力均匀分布时波速的改变量较大,线性变化次之;当残余应力按照指数函数变化时,梯度参数越趋近于零,其结果越趋近于线性变化情况,随着梯度参数的减小,波速改变量也随之减小。当使用广义Rayleigh波频散特性实现残余应力无损检测时,如果采用与实际梯度渐变残余应力不符的均匀残余应力模型将会低估表面残余应力。本文所得结论可为利用广义Rayleigh波实现梯度残余应力无损检测提供理论基础。     

磁场对电磁弹性板中Lamb波频散特性的影响

研究了静态磁场下电磁弹性结构中Lamb波的传播行为.在确定静态磁场下电磁弹性板中耦合初始广义应力(弹性应力、电位移和磁感应强度的基础上,推导了含初始广义应力时板中Lamb波传播的运动方程,并由此获得了对称模态和反对称模态时的频散方程.以由BaTiO3-CoFe2O4材料构成的电磁弹性板模型作为数值算例,绘制了Lamb波传播的对称模态和反对称模态频散曲线.计算结果表明磁场对Lamb波的频散特性有一定的影响.     

爆炸下球壳变形空间周期分布的理论计算方法

早期研究提出了对振动叠加应变增长现象的解剖式分析方法，进而发现爆炸加载下带扰动源球壳上的弯曲波和壳体变形呈空间周期分布的规律。参考Timoshenko梁的弯曲理论，基于平截面假定和壳体发生较小的弯曲变形的假设，推导出球壳上弯曲波波速和波长的关系，计算得到最短弯曲波和与膜振动频率相近的弯曲波的波速，还结合早期研究提出的壳体变形分布周期与弯曲波波速的关系，计算得到了壳体变形空间分布的周期。结果表明:（1）理论计算结果与数值仿真结果基本吻合，其中弯曲波波速的计算结果与数值仿真结果相差在15%以内，壳体变形空间分布周期的计算结果与数值仿真结果相差在12%以内；（2）弯曲波波长越短，波速越快，当波长无限短时，波速趋于极限值，约为声速的0.574倍。本计算方法为解剖式分析方法提供了一定的理论依据。     

基于Lamb波频散特性的薄板声发射源定位方法研究

声发射源时差定位方法中波速的确定是定位准确的关键问题,根据模态声发射理论,声发射信号在薄板内的传播过程中具有频散现象和多模态特性.不同频率不同模态的声波其传播速度不同.基于Lamb波频散特性和声发射检测技术,采取时频联合分析方法对铝薄板中声波模式进行识别;利用低频段频散不明显的扩展波的波速和同一频率同一模态波到达两传感器的时间差来实现声发射源的准确定位;通过铝薄板中AE源定位实验表明,采用S0模式,即扩展波的波速进行定位计算,可以比较准确地确定声发射源的位置,而且理论值与实际值相差很小.     

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

基于积分方程方法的弹性波多重散射计算

运用积分方程方法计算了含多个随机分布椭圆柱型孔洞的随机非均匀介质中相干波的速度和衰减系数,分析了这种介质的频散特性。首先,建立了散射位移场满足的积分方程,推导了单个椭圆柱孔洞的散射截面计算公式。接着分析了在含多个随机分布椭圆柱型孔洞的随机非均匀介质中弹性波的多重散射,给出在统计平均意义下的相干波的波速和衰减系数计算公式。然后用Matlab进行了编程,给出了一个数值算例,并将计算结果与波函数展开法进行了比较,分析了随机空隙介质的频散特征及其孔洞椭圆偏心率和材料空隙率的影响。     

功能梯度粘弹性板中的Lamb波

研究功能梯度Kelvin模型粘弹性板中Lamb波传播的频散和衰减特性,基于弹性力学理论,建立了以位移函数表示的功能梯度粘弹性板中Lamb波传播问题的控制方程;采用幂级数方法求得其渐近解,得到波速-波数方程的解析形式;采用最小模值逼近法求解复数域超越方程。通过对比均质粘弹性板和特殊梯度粘弹性板中Lamb波传播的精确解析解和幂级数渐近解,由此验证幂级数解的可靠性。研究结果表明:当梯度参数同时变化时,梯度板中的Lamb波波速的实部、虚部、减幅系数较均匀板中均无显著变化;仅密度梯度参数增大时波速实部和虚部绝对值都减小,减幅系数增大;仅弹性模量梯度参数增大时,波速实部和虚部绝对值都增大,减幅系数减小。准S0模态和准A0模态的减幅系数基本相同,而与准A1模态相差较大。在同模态下频率越高减幅系数越大,同频率下高模态对应的减幅系数较小。这些结论可为非均质粘弹性板结构无损检测提供理论依据。     

基于导波技术的螺柱轴力无损检测

根据弹性动力学理论,采用纵向导波与弯曲导波相结合的方法对螺柱所受轴向应力进行无损检测。计算了M22螺柱中纵向导波和弯曲导波的群速度频散曲线。根据频散曲线,确定了采用导波对螺柱轴向应力进行无损检测的最优检测信号频率范围(50~80 kHz),此频率范围的纵向导波与弯曲导波模态单一,并且频散性较低。分别计算了不同轴向应力σ作用下,多种频率的纵向导波和和弯曲导波在螺柱中传播的群速度值cgσrL和cgσrF。结果表明,随着轴向应力的增大,同频率纵向导波和弯曲导波的群速度皆呈线性递减趋势。利用纵向导波和弯曲导波群速度与轴向应力的线性关系及纵向导波和弯曲导波在轴向应力作用螺柱端面的反射时间tLσ和tσF,可以迅速确定螺柱所受轴向应力值。     

基于ZWT方程的线黏弹性球面波分析

针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载,忽略低频Maxwell体的松弛效应,同时为简化分析,忽略非线性弹簧效应项,推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程,结合ZWT线黏弹性本构关系,得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象,得知:高频球面波的衰减因子趋于常数,相速趋于高频下的纵波速度;低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比,其相速趋于低频下的纵波速度;低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速,两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。     

TRANSVERSAL INERTIAL EFFECT ON RELAXATION/RETARDATION TIME OF CEMENT MORTAR UNDER HARMONIC WAVE

Under dynamic loading, the constitutive relation of the cement mortar will be significantly affected by the transversal inertial effect of specimens with large diameters. In this paper, one-dimensional theoretical analysis is carried out to determine the transversal inertial effect on the relaxation/retardation time of the cement mortar under the harmonic wave. Relaxation time or retardation time is obtained by means of the wave velocity, attenuation coefficient and the frequency of the harmonic wave. Thus, the transversal inertial effect on the relaxation time from Maxwell model, as well as on retardation time from Voigt model is analyzed. The results show that the transversal inertial effect may lead to the increase of the relaxation time, but induce the decrease of the retardation time. Those should be taken into account when eliminating the transversal inertial effect in applications.     

Propagation of torsional surface wave in anisotropic poroelastic medium under initial stress

The present work deals with the possibility of propagation of torsional surface wave in fluid saturated poroelastic layer lying over nonhomogeneous elastic half space. Both the media are assumed to be under compressive initial stress. The half space has two types of inhomogeneity, viz; hyperbolic and quadratic. The dispersion equation for torsional wave in porous layer has been derived and observed that the presence of fluid in pores increases the velocity of the torsional surface wave but the phase velocity diminishes due to the presence of compressive initial stress in the porous layer. It is also observed that the velocity of the torsional surface wave increases due to the increase of initial stress in inhomogeneous half space. The inhomogeneity factor due to quadratic and hyperbolic variations in rigidity, density and initial stress of the medium decreases the phase velocity as it increases.     

Shear wave velocity in sand considering the effects of frequency based on particle contact theory

Since the shear waves involved in in-situ and laboratory measurement methods vary significantly in terms of the frequency range, it is necessary to consider the effects of frequency on the shear wave velocity. In this study, sand particles are assumed to be spherical solid particles with an equal radius and identical material properties, and sand skeletons are regarded as granular aggregations generated through the random packing of sand particles. It is also assumed that the sand particles only undergo elastic deformation during shear wave propagation. Based on a spherical particle model, a formula is obtained for calculating the shear wave velocity in sand, with the shear wave frequency as an extra influencing parameter. The quantitative calculations demonstrate that the shear wave velocity decreases with an increase of sand porosity, and accelerates with increases of vertical effective stress and elastic modulus of the sand particles. It is also indicated that both the particle density and Poisson’s ratio of the sand particles have negligible effects on the shear wave propagation. The frequency dispersion characteristics of shear wave propagating in sand are also discussed. Moreover, the critical frequency is defined and its analytical expression is derived. The calculation results obtained using the proposed equations agree well with the in-situ measurement results and bender element test data.     

玄武岩中裂隙分布形式对声波传播的影响

复杂岩体含有大量的裂隙,这些裂隙尺寸及其分布形式等对弹性波传播都有很大的影响.本文加工了含单个裂隙、双裂隙和三个裂隙的玄武岩岩样单元对其进行组合,进行了25kHz、 50kHz、 400kHz、 600kHz和1000kHz 等5种频率的声波测试.通过考虑垂直或平行波传播方向的裂隙长度,来探索裂隙分布形式和不同裂隙长度对弹性波传播的影响,研究玄武岩的频散效应和波的衰减.结果表明:裂隙方向与波传播方向夹角对弹性波传播有很大的影响.当裂隙方向与波传播方向垂直时,散射效应最大;而当裂隙方向与波传播方向平行时,影响最小.上述结果可为理论模型和数值分析提供依据.     

斜波压缩下HMX晶体的弹塑性行为

开展了（010）、（011）晶向HMX晶体的斜波压缩实验,获得了约15 GPa压力下的速度响应剖面。实验结果表明,HMX单晶存在明显弹塑性转变行为,且速度波形有下降趋势,这是材料的黏性效应导致,材料的弹性极限随着样品厚度增加而变化,不同晶向的材料动力学特性存在差异。结合Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程开展了HMX晶体斜波压缩物理过程的数值模拟,计算结果可以很好地描述HMX晶体的弹塑性转变这一物理过程。