单侧界面条件下弹性波传播规律的研究

界面是介质间的分界面,把界面看成是双侧的,只是真实界面模型表述的一个极端,在很多情况下,它的另一个极端,即单侧界面模型可能更近于实际．在单侧界面条件下弹性波的传播问题,与双侧界面问题相比,还是一个尚未充分研究的领域．本文意在对这一领域的研究现状及问题作一评述和展望      

界面动力学研究近况

界面动力学主要包括界面波动力界面动态断裂两人部分，本文评述了其主要研究课题的最新进展，并在此基础上展望了其发展趋势，指出界面模型研究、界面无损检测、界面动态损伤与破坏机理、界面动态断裂韧性及弹塑性面裂纹动态扩展等是当前最关心且急待解决的问题。     

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本文对界面力学若干问题的部分实验成果作一综述,主要集中于以下４个问题;（１）界面层的变形与界面力学模型;（２）异质材料界面端部的应力集中与应力奇异性;（３）界面应力缓释与功能梯度材料;（４）沿界面与垂直界面裂纹的断裂力学问题．并对今后界面力学实验研究的发展前景进行了讨论．     

界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

采用动态光弹性方法,对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用,采集和分析等差线条纹,计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主,对应力波的阻隔作用不明显,这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别,在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致,并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．     

关于水气界面处的气体传输

水气界面处的气体传输问题由于其对于地球大气中温室效应气体收支的重要意义,近年来受到广泛的关注．综述国际上在水气界面处传质研究的新进展,在简评各种基本的传质模型基础上,着重介绍在剪切水气界面附近湍流相干结构及其与气体传输的关系方面的一些新发现、新观点．对于实际海气界面气体传输的若干机制进行了评述．为实际估算海气界面处气体传输速度的目的,建议了一种综合考虑剪切与波破碎两种机制的气体传输复合计算方法,得到与实测较满意的符合．      

弱界面压电／压磁层状结构中的SH波

研究了弱界面压电层/压磁半空间结构中SH波的频散特性, 界面性能由 ``弹簧'模型表征, 压电层的表面考虑电学短路和电学开路两种边界条件. 推导了显函形式的 频散方程, 并结合算例分析了界面性能和电学边界条件对SH波传播特性的影响. 数值结果表 明: 弱界面降低了SH波传播的相速度; 对于短路电边界条件, 弱界面可以使一阶模态的相速 度小于B-G表面波的速度; 对于开路电边界条件, 一阶模态的相速度总是大于剪切体波的波 速.     

双材料间界面断裂分析的广义界面层模型

给出了双材料间界面层区域的广义模型，并对承受扭转载荷的界面间硬币形裂纹进行了分析与计算．通过处理奇异积分方程得到了应力强度因子，数值结果给出了材料特性、界面层厚度、尤其是分布特征参数ｋ对应力强度因子的影响．与Ｅｒｄｏｇａｎ界面层模型的结果比较表明，本文的模型更具有一般性．     

非理想界面弹性层/压电柱结构中SH波的传播特性

研究了各向同性弹性层与压电柱之间非理想连接时沿周向传播的SH波的频散特性.弹性层表面力学自由;弹性层与压电柱之间应力连续、位移间断.通过求解控制方程,将问题的解用Bessel函数表示,利用界面条件和边界条件得到频散方程,然后对其进行数值求解,分析了界面性态、材料常数和几何尺寸对SH波传播特性的影响.     

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元,用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时,在界面不同的强韧性条件下其界面损伤演化的规律和对复合材料整体性质的影响     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数.激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一.在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时,通过光学测量薄膜自由面瞬态位移,并利用应力波理论计算得到临界界面强度.通过精确控制试样几何形状及尺寸,包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现.本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述,并特别强调了不同加载模式的实现方法,高强度超薄薄膜的界面测量技术,以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂.     

Second-harmonic generation of two-dimensional elastic wave propagation in an infinite layered structure with nonlinear spring-type interfaces

The two-dimensional elastic wave propagation in an infinite layered structure with nonlinear interlayer interfaces is analyzed theoretically to investigate the second-harmonic generation due to interfacial nonlinearity. The structure consists of identical isotropic linear elastic layers that are bonded to each other by spring-type interfaces possessing identical linear normal and shear stiffnesses but different quadratic nonlinearity parameters. Explicit analytical expressions are derived for the second-harmonic amplitudes when a single monochromatic Bloch mode propagates in the structure in arbitrary directions by applying the transfer-matrix approach and the Bloch theorem to the governing equations linearized by a perturbation method. The second-harmonic generation by a single nonlinear interface and by multiple consecutive nonlinear interfaces are shown to be profoundly influenced by the band structure of the layered structure, the fundamental Bloch wave mode, and its propagation direction. In particular, the second harmonics generated at multiple consecutive interfaces are found to grow cumulatively with the propagation distance when the phase matching occurs between the Bloch modes at the fundamental and double frequencies.     

A NEW INTERFACE CAPTURING METHOD BASED ON DOUBLE INTERFACE FUNCTIONS

基于代数重构思想,发展了一种新的双界面函数重构方法,并采用双正弦函数构造了双正弦界面重构方法（double sine interface capturing,DSINC）.为验证不同界面函数对界面捕捉效果的影响,用数值方法求解了可压缩五方程模型,其中对流项的离散采用五阶WENO（weighted essentially non-oscillatory method）格式,时间积分采用三阶Runge——Kutta方法,通量计算分别考虑了HLL和HLLC方法,而状态方程采用Mie-Grüneisen状态方程.在数值计算中,在界面附近,采用DSINC来获得体积分数的重构,而在远离界面的区域采用WENO格式来获得高阶插值状态.相比采用单界面函数的方法,如双曲正切界面重构方法（tangent of hyperbola for interfacecapturing,THINC）,DSINC方法同样具有界面重构算法简单,在程序中添加方便等特点,两者区别在于,DSINC方法在重构过程中未知函数更易于求解,而无需求解复杂的非线性超越方程,这就使其具有易于向多维扩展的能力.一些典型的两相流动问题,如圆形水柱对流问题,两相三波点问题和激波——界面不稳定性问题等被用作不同界面函数对界面捕捉效果的影响对比.对比分析发现,DSINC与THINC在界面捕捉效果上大致保持一致,并在计算中表现出了较好的稳定性.双界面函数重构思想可以为多相流动界面的代数重构提供了一种新的思路.     

INTERFACE EVOLUTIONS AND GROWTH PREDICTIONS OF MIXING ZONE ON PREMIXED FLAME INTERFACE DURING RM INSTABILITY 1)

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.     

Non-destructive evaluation of the interface between silicon dies and copper leadframes in integrated circuit packaging

The silicon die and copper leadframe in integrated circuit (IC) packaging are bonded together by die attach adhesive, and the quality of the interface is a critical issue in the reliability of IC packaging. Common defects such as cracks and delaminations can be detected using the C-scan ultrasonic microscopy method with sufficient confidence. However, weak interfaces due to weak adhesion and poor cohesion have often gone undetected, to subsequently become potential defective areas. In this paper we present experimental work to evaluate the quality of the interfaces that typically exist in IC packages using longitudinal ultrasonic wave propagation with contact transducers. Three different conditioning processes, varying curing, moisture exposure and pre-curing moisture contamination, are used to degrade the interface bonding the silicon die and copper leadframe. Ultrasonic reflection coefficients from the interface are then measured. The results show that the reflection coefficient depends strongly on the interface quality, and can be used as a quantitative indicator to characterize the bond quality.     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

稳定分层流密度界面处湍流混合与分形结构

采用室内混合箱研究稳定分层流(上层淡水、下层盐水) 无剪切密度界面处的湍流混合与分形结构. 湍流通过浸没在盐水层中的振动格栅产生, 密度界面结构通过在盐水层中添加荧光剂或染料可视化, 共进行12 组实验. 实验观测并记录了:(1) 淡、盐水密度界面距混合箱底部的平均高程(h);(2) 淡、盐水层的密度(ρ₀,ρ), (3) 淡、盐水密度界面. 其中, 淡、盐水密度界面通过照片、录像进行记录. 观测结果用于计算:(1) 盐水层密度;(2) 卷挟速度, (3) 整体理查孙数(Ri_o), (4) 二维、三维密度界面, (5) 二维、三维密度界面的分形维度. 结果分析发现:(1) 湍流卷挟率随Rio 增大而减小, 并且满足Ri_o的-3=2 或-7=4 幂律;表明随着湍流强度的减弱, 混合的速度也越来越缓慢;(2) 二维密度界面分形维度大于1, 三维密度界面分形维度大于2;表明二维、三维密度界面存在分形结构;(3) 分形维度随Ri_o的增大而减小;表明随着湍流强度的减弱, 密度界面也越来越趋于光滑.      

RM不稳定过程中预混火焰界面演化及混合区增长预测

预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.      

3D printed,bio-inspired prototypes and analytical models for structured suture interfaces with geometrically-tuned deformation and failure behavior

Geometrically structured interfaces in nature possess enhanced, and often surprising, mechanical properties, and provide inspiration for materials design. This paper investigates the mechanics of deformation and failure mechanisms of suture interface designs through analytical models and experiments on 3D printed polymer physical prototypes. Suture waveforms with generalized trapezoidal geometries (trapezoidal, rectangular, anti-trapezoidal, and triangular) are studied and characterized by several important geometric parameters: the presence or absence of a bonded tip region, the tip angle, and the geometry. It is shown that a wide range (in some cases as great as an order of magnitude) in stiffness, strength, and toughness is achievable dependent on tip bonding, tip angle, and geometry. Suture interfaces with a bonded tip region exhibit a higher initial stiffness due to the greater load bearing by the skeletal teeth, a double peak in the stress–strain curve corresponding to the failure of the bonded tip and the failure of the slanted interface region or tooth, respectively, and an additional failure and toughening mechanism due to the failure of the bonded tip. Anti-trapezoidal geometries promote the greatest amplification of properties for suture interfaces with a bonded tip due the large tip interface area. The tip angle and geometry govern the stress distributions in the teeth and the ratio of normal to shear stresses in the interfacial layers, which together determine the failure mechanism of the interface and/or the teeth. Rectangular suture interfaces fail by simple shearing of the interfaces. Trapezoidal and triangular suture interfaces fail by a combination of shear and tensile normal stresses in the interface, leading to plastic deformation, cavitation events, and subsequent stretching of interface ligaments with mostly elastic deformation in the teeth. Anti-trapezoidal suture interfaces with small tip angles have high stress concentrations in the teeth and fail catastrophically by tooth failure, whereas larger tip angles exhibit a shear failure of the interfaces. Therefore, larger tip angles and trapezoidal or triangular geometries promote graceful failure, and smaller tip angles and anti-trapezoidal geometries promote more brittle-like failure. This dependence is reminiscent of biological systems, which exhibit a range of failure behaviors with limited materials and varied geometry. Triangular geometries uniquely exhibit uniform stress distributions in its teeth and promote the greatest amplification of mechanical properties. In both the bonded and unbonded cases, the predictions from the presented analytical models and experimental results on 3D printed prototypes show excellent agreement. This validates the analytical models and allows for the models to be used as a tool for the design of new materials and interfaces with tailored mechanical behavior.