固体火箭发动机多层结构壳体的导波频散特性分析

利用导波对固体火箭发动机的多层结构壳体进行检测是一种很有前景的无损检测方法。本文应用全局矩阵法,推导了多层结构壳体的导波频散方程,并分别针对固体火箭发动机4种不同层数的壳体导波频散曲线进行了求解,发现当结构层数和第一层厚度增加时,各模式曲线的间隔缩小,曲线数目增加,并有向零频方向靠拢的趋势。同时研究了粘接质量变化对频散特征的影响,随着胶层质量相对变差,频散曲线总体向低频漂移。     

一种全频散波方程的反问题

基于一种全频散波方程研究了对于谐波和波包的反问题。首先根据Mindlin理论建立了描述无耗散微结构线性固体中波传播模型一一一种全频散波方程,并讨论了其频散特性。然后基于该全频散波方程,提出了利用四种不同谐波的频率和相应波数确定波方程四个未知系数的反问题,并用严格的数学理论论证了此反问题。研究证明,通过测量同一种无耗散微结构线性固体中传播的四种不同谐波的频率和相应波数,在正常频散和反常频散情况下可唯一地确定波方程的未知系数,即材料的未知参数。      

弱界面固体附层媒质中的类Rayleigh波

当半无限大固体媒质上有一层固体附加层时表面波是频散的。由界面的“准弹簧”模型,本文导出了有各向同性固体附加层时半无限大各向同性均匀媒质中弱界面情况下的类Ｒａｙｌｅｉｇｈ波的特征方程。文中给出了典型复合结构具有刚性联接界面、滑移联接界面和弱界面时类 Ｒａｙｌｅｉｇｈ波的色散曲线,分析了界面刚度系数对类 Ｒａｙｌｅｉｇｈ波传播速度的影响。数值计算的结果表明选择合适的参数可以由低频超声类Ｒａｙｌｅｉｇｈ进行涂层结构界面特性的无损评价。     

流体-镀层基底界面波的传播特性

理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场,在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应.数值结果显示,对于流体-慢层快底结构,Scholte界面波呈现出正常频散特性;而对于流体-快层慢底结构,Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性.理论瞬态信号也显示了同样的特性.采用脉冲激光激励,用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量.实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性.此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.     

分层固体板中导波的激发与频散特性

针对无限大弹性分层固体板,研究了结构中导波的频散和激发特性。首先使用传递矩阵法推导分层板模型中导波的频散方程,然后用二分法求取导波各模式的频散曲线,进而分析结构中导波的频散特性。结果表明:在速度递增或递减的分层板中,基阶模式和高阶模式的高频极限分别等于低速层的瑞利波速和横波波速。对于含低速夹层的分层板,所有模式的高频极限都等于低速层的横波速度。在导波激发特性方面,研究了在具有一定宽度的法向力源作用下的分层板中导波各模式在结构中的法向位移谱。发现在速度递增的分层板结构中基阶模式是主导模式,而对于速度递减和含低速夹层模型,主导模式在不同的频段范围内对应不同的导波模式。      

超薄层状复合媒质弱界面深度与声导波

结合推导层状复合媒质各界面刚性联接时声导波频散特性方程的传递矩阵方法,以及滑移界 面边界条件和弱界面“弹簧”模型,分别导出了超薄层状复合媒质中存在不同深度弱界面、滑移界面和脱层情况下声导波的广义频散方程,分析了三种联接界面的深度对低模式声导波频散特性的影响. 关键词： 导波 界面 频散     

声-重力波在两层大气模型中的频散理论和数值计算

本文根据Pekeris曾提出的大气两层模型,考虑在每一层中有风的影响,讨论了在这种条件下大气层对声-重力波的频散理论。 我们从声-重力波的波动方程出发,导出了两层模型下的合流超几何方程,给出了它的通解。在导出相应的频散方程以后,给出了相速度和群速度的解析表示式。在计算机上进行了数值计算,给出了在两层中有不同风速时的相速度和群速度的频散特性,从中可以看到风对声-重力波的传播和激发都有很大的影响。     

声-重力波在分层大气中传播频散的理论和测试结果

本文推导了计及重力效应运动媒质中的次声波动方程和用速度的散度表示的分层大气模型下的频散方程;并利用与实际大气较为接近的多层大气模型计算了声-重力波的频散特性。数值计算结果表明,相速度和群速度具有两个分支,即声分支和重力分支。声分支的频散受风的影响较大,通常顺风和逆风的情况下,在短周期部分群速度可差10％以上,而且频散较大。重力分支在某种大气模型下,可以出现几组,它们频散特性有较大的差别。这一新的结果符合实验得到大爆炸次声波传播的频散特性。     

界面层对层状各向异性复合结构中Lamb波的影响

建立了各向异性界面层的弹簧模型,并将其应用于分析层状复合媒质的全局矩阵技术中.其 引入的机理是全局矩阵的程序结构、各层矩阵的排列不至于遭受大的破坏.因此,把弹簧界 面作为一个“材料层”.该层的材料常数用劲度常数来描述,其层厚为零.把该层放在全局矩 阵适当的位置而使系统中的其他层不发生任何变化.数值示例显示了刚性联接、滑移联接、 完全脱层三种不同界面条件下双层各向异性复合结构中Lamb波的频散特征,并对刚性联接和 滑移联接时质点沿板厚方向的位移分布进行了比较. 关键词： 各向异性界面 弹簧模型 全局矩阵 兰姆波频散     

双层壳－流耦合系统的频散方程

同轴圆柱体弹性薄壳（以下简称双层壳）与内外壳间均匀流动的环形流所构成的双层壳－流耦合系统的频散特性，是研究该系统声振特性的基础。本文从Ｆｌｕｇｇｅ无限壳体方程和均匀流场中的声波方程出发，利用边界条件，对该系统的频散方程进行了推导，并给出了相应的算例。     

双层声波导乐甫波传感器的质量敏感度分析

本文推导了双层声波导结构乐甫波传感器的频散方程和质量敏感度。首先,根据连续边界条件求解声波波动方程,并推导双层声波导结构下乐甫波传播的频散方程;然后根据微扰理论推导乐甫波传感器的质量敏感度。文中并最后给出基于ST-90°X石英基片的乐甫波传感器的算例分析。基片表面依次覆盖二氧化硅和金两层声波导,根据上述推导式子计算出乐甫波相速度及质量敏感度随着声波导层厚度变化的特性。结果表明:声波导层厚度增加时,乐甫波相速度减小,乐甫波模式增多,控制波导层厚度可以获得单一的乐甫波模式;选择波导层的厚度,乐甫波传感器可获得最大质量敏感度。     

带粘弹性包覆层充液管道中的超声导波纵向模态

理论分析和实验研究了超声导波纵向模态在带粘弹性包覆层充液管道中的传播特性。得到了纵向模态的频散曲线。以此确定了适合带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测的一定频带的纵向模态。经分析认为,频散小,衰减低的频带0～50 kHz的L(0,1)模态和未受干扰的L(0,2)模态分支部分,如频带170～210 kHz的L(0,4)模态,适合检测外直径25 mm,壁厚1．2 mm,外壁涂覆0．35 mm厚环氧树脂的充水钢管中的缺陷。而频散和衰减大,能量主要在水或环氧树脂粘弹性层中传播的纵向模态则不适合检测该类管道中的缺陷。     

基底上覆分层薄膜超声Scholte波特性与薄膜定征

分层薄膜-基底结构广泛应用于微电子器件等诸多领域,但薄膜材料参数超声测量尤其是横波速度的定征是一个困难的问题。本文对液固界面Scholte界面波的频散特性和脉冲激励的声压响应进行了理论分析。结果表明,液固界面Scholte波频散与分层膜-基底结构的速度分布密切相关。薄膜材料各层的厚度和横波速度对界面波频散特性有显著影响。基于Scholte界面波的频散特性,提出了一种多层膜的多参数反演定征方法。首先针对理论信号进行薄膜参数反演,验证了该方法的可行性。后续对不同类型的多层膜材料样品进行了液固界面波激发与采集实验,实验信号的薄膜参数反演结果进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

北极冰-水耦合系统中声波传播特性

利用固体和流体介质中波传播理论,导出了冰-水两层复合结构中导波频散方程。进一步,利用二分法对频散方程进行了数值求解,得到了ω-k频散曲线(ω与k分别为圆频率和波数),以及相速度和群速度频散曲线。结果表明:冰-水两层复合结构中导波由具有相同厚度水层和冰层中导波耦合而成,但与水层和冰层中导波频散曲线相比,复合结构中导波频散曲线除第1阶模式外,其余高阶模式均发生了很大变化。从原水层第1阶模式的截止频率开始,复合结构第2阶模式的相速度曲线被压低,各高阶(大于2阶)模式的相速度曲线出现一个跃变点,群速度曲线出现一个极大和一个极小值。水层越厚,复合结构各高阶模式的截止频率越低,相同频带内导波模式越丰富。水层厚度保持不变时,复合结构各阶模式的相速度和群速度曲线均随冰层厚度的增加而向低频方向移动。另外,还进一步分析了冰-水复合结构的导波波结构,发现第1阶导波模式的能量主要集中在冰层内和海表面附近,而2阶以上高阶导波模式的振动位移幅度随深度方向呈现周期性特征,并且模式阶数越高,振动越复杂。      

金属薄板中Lamb波波速与静应力关系的理论研究

本研究基于各向同性金属材料在静压力作用下产生各向异性的事实,从固体中超声波的非线性理论出发,得到了在一定应力下固体的等效的二阶弹性常数,再利用各向异性板中的Lamb波理论推得了在静应力作用下与应力平行和垂直方向的Lamb波的频散方程,讨论了金属薄板中Lamb波波速与静应力的关系。     

含孔隙分层半空间中瑞利波的传播特性研究

为了研究含孔隙介质分层半空间中瑞利波的传播规律,分析孔隙介质参数对瑞利波频散曲线的影响,本文进行了数值模拟研究。采用传递矩阵算法,计算了含孔隙分层半空间中一定频率范围内瑞利波所有模式的频散及激发强度曲线,并与均匀弹性固体分层半空间情况作了类比分析,在含孔隙覆盖层的两层模型和含低速孔隙夹层的三层模型下,详细研究了孔隙度、渗透率、层厚度等参数对瑞利波各模式的影响,发现孔隙度及层厚度的变化对频散曲线影响较大,而渗透率的变化对频散曲线影响较小。      

圆柱空腔上裂纹的爬波检测方法

通过牛顿迭代法求解了固体内部圆柱空腔上爬波的频散方程,分析了爬波的频散和衰减特性。利用动态光弹法显示了爬波的直观图像和圆柱空腔附近各散射波的空间关系。根据爬波具有的频散、衰减以及辐射横波特征,设计了斜入射脉冲回波实验装置,测量了特定位置处裂纹反射爬波辐射出的横波信号,其与柱面反射波的时差和理论预测一致。进一步实验研究发现,爬波回波幅度与特定位置的裂纹长度具有近似单调的对应关系,在裂纹长度较大时,回波幅度趋于稳定。以上工作为圆柱空腔上裂纹的爬波定量检测提供了物理基础和实现方法。      

铝板中Lamb波检测的实验研究

Lamb波在传播过程中具有频散及多模态特性,若相关参数选择不当,会导致在实际应用中信号相互叠加而无法识别。本文基于Lamb波的频散曲线是其频散方程实数解分布的特点,采用二分法绘制了铝板中Lamb波的频散曲线、波结构曲线和入射角曲线。根据曲线选择S0模态的Lamb波对1mm厚铝板中不同类型的缺陷进行检测。实验结果表明,S0模态的Lamb波对裂纹型缺陷和贯穿型缺陷十分敏感,但对于裂纹型缺陷,其幅值变化并不与缺陷大小成线性关系,并且S0模态Lamb波的声场指向性十分集中,在偏离声束轴线时无法检测到缺陷。     

基于套管-水泥环-地层热固耦合作用的多层套管环空附加压力预测模型

深水油气井生产阶段受地层高温流体的影响,会产生套管环空圈闭压力上升现象,严重威胁井筒完整性。本文推导出了基于套管-水泥环-地层热固耦合作用下的环空流体介质、自由段与封固段套管的位移函数,建立了多层套管环空附加压力矩阵方程,提出了套管环空压温比计算公式,分析了环空流体介质热弹性、套管壁厚和弹性参数、水泥环弹性参数等因素对各层套管环空附加压力分布规律的影响。结果表明:各层套管环空附加压力沿井筒上升方向逐渐增加,油层套管与生产管柱之间的A环空产生的压力附加值最大,增加环空流体压缩性、提高套管壁厚和提升水泥环弹性参数可有效降低套管环空附加压力,保障井筒安全.     

任意非正交曲线坐标系在叶轮机械气动计算中的应用

本文应用向量分析的方法,推导出非正交曲线坐标系的梯度、散度和旋度的计算公式,从而得到了无粘性流体在叶轮机械中稳定相对运动的三维流动的气动热力学基本方程。然后,讨论了用任意非正交曲线坐标表示的势函数方程,以及两类相对流面(S_1和S_2流面)的流函数方程(吴仲华方程)。最后也给出了速度梯度法(或称流线曲率法)方程的三种形式。