基于激光超声的微裂纹检测技术的研究

在固体中利用激光产生超声波 ,可作为超声测量和材料无损检测的一种新方法。介绍了激光超声表面波的产生机理、微裂纹的检测方法及其应用。采用Nd∶YAG脉冲激光器、扩束与聚焦透镜组、PZT探头、数据分析仪等器件设计并构建了一套基于接触式检测方法的激光超声微裂纹检测实验系统。通过对大量实验数据进行处理 ,得出了相应的各种关系曲线 ,说明了线光源产生的超声表面波非常适用于材料表面微裂纹的检测     

微裂纹演化的随机模型

本文用非平衡统计的概念和方法探讨了各种断裂过程中的共同问题——微裂纹或微空洞的演化。文中从描述微裂纹演化过程的多元主方程出发,导出了微裂纹演化动力学方程,指出了微观机理与宏观过程相结合的途径,讨论了微裂纹分布函数应有的性质。 关键词：     

PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。     

玻璃质光学元件表面微裂纹的研究

研究了影响玻璃质光学元件表面质量的主要因素,认为表面微裂纹是表面强度改变的主要原因。用机械磨削初成形工艺方法分析研究了表面微裂纹产生的原因;通过裂纹尖端应力集中及Griffith能量平衡理论,分析了裂纹扩展方式;结合表面结构缺陷理论及研磨处理表面微缺陷工艺,阐述了HF腐蚀法对微裂纹的去除机理及效果;最后,综述了通过生产工艺提高玻璃强度的方法,重点讨论了离子交换法,镀膜法和HF腐蚀法等表面处理技术,指出使用HF腐蚀法去除表面微裂纹更适用于玻璃质光学元件的表面加工。     

基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型

提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的"应力-应变",然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.     

晶体相场法研究应力状态及晶体取向对微裂纹尖端扩展行为的影响

采用晶体相场模拟研究了单向拉伸作用下初始应力状态、晶体取向角度对单晶材料内部微裂纹尖端扩展行为的影响, 以(111)晶面上的预制中心裂纹为研究对象探讨了微裂纹尖端扩展行为的纳观机理, 结果表明: 微裂纹的扩展行为主要发生在<011>(111)滑移系上, 扩展行为与扩展方向与材料所处的初始应力状态及晶体取向紧密相关. 预拉伸应力状态将首先诱发微裂纹尖端生成滑移位错, 进而导致晶面解理而实现微裂纹尖端沿[011]晶向扩展, 扩展到一定程度后由于位错塞积, 应力集中, 使裂纹扩展方向沿另一滑移方向[101], 并形成锯齿形边缘; 预剪切应力状态下, 微裂纹尖端首先在[101]晶向解理扩展, 并诱发位错产生, 形成空洞聚集型长大的二次裂纹, 形成了明显的剪切带; 预偏变形状态下微裂纹尖端则直接以晶面解理形式[101]在上进行扩展, 直至断裂失效; 微裂纹尖端扩展行为随晶体取向不同而不同, 较小的取向角度会在裂纹尖端形成滑移位错, 诱发空位而形成二次裂纹, 而较大的取向角下的裂纹尖端则以直接解理扩展为主, 扩展方向与拉伸方向几近垂直.     

振动声调制技术下微裂纹的非线性响应分析

采用非线性弹簧模型对振动声调制技术下微裂纹产生的非线性调制效应进行解释。从理论上分析了振动声调制技术下微裂纹产生非线性调制现象的原理,将微裂纹的开合状态等效为非线性弹簧。利用有限元软件构建并仿真微裂纹非线性弹簧模型,分别观察不同激励下裂纹界面的开合状态及混合声波的传播特性。结果表明,微裂纹界面随低频声波呈周期性开合,使得通过裂纹界面的高频声波与低频声波相互调制而产生非线性现象。在以上研究基础上,开展振动声调制实验研究。对比仿真结果,非线性调制系数R在实验条件下和仿真随低频激励幅值的变化趋势相同,证明了该模型的正确性。该模型为振动声调制技术应用于微裂纹的超声非线性检测提供了理论依据。      

延时断裂统计理论

本文研究了广泛应力范围内(1》(ασ)/(Kt)》1)热激活延时断裂统计理论,文中从微裂纹按原子键机理随机演化导致断裂的思路出发,导出了微裂纹分布函数、断裂几率、可靠性、强度和寿命的统计分布函数及其统计平均值。 关键词：     

脆性断裂统计理论

本文试图用统计方法,将金属脆性断裂的微观过程与宏观过程结合起来,把断裂理论建立于微裂纹发展动力学的统计基础上。脆性断裂实质上是在小的范性变形过程中微裂纹成核长大的非平衡统计过程和单个主裂纹的传播过程。本文导出了描述这种非平衡统计过程的微分积分方程,并从位错机理出发研究了微裂纹动力学,从而解出了微裂纹的分布函数,求出了金属试样的断裂几率,进而导出了延伸率、断裂强度、范性功、裂纹扩展力、断裂韧性、临界裂纹长度、范性-脆性转变温度以及它们的统计偏差与其它有关物理量之间的函数关系。 关键词：     

声波在锥棒中非经典非线性传播及实验验证

弹性体材料在早期退化阶段会出现一些长度不同,且分布不均匀的介观尺度微裂纹,声波在这些裂纹聚集区(或裂纹群)传播会激发较强的非经典非线性。文中以缓变截面的锥棒为研究对象,在Preisach-Mayergoyz (PM)空间模型下研究了声波通过微裂纹聚集区激发的非经典非线性谐波传播特性,实验验证了三次谐波位移幅度与缺陷位置、宽度的反演关系。理论计算和实验结果表明:微裂纹群激发了较强的奇次谐波,引起非经典非线性传播;其谐波幅度与微裂纹聚集区域位置、宽度及非经典非线性参数紧密相关,利用三次或五次谐波位移幅度能够准确定位缺陷的区域。      

二维成分无序颗粒体系中法向力的分布

运用离散元法研究成分无序体系中法向力的几率分布,该体系由两种不同刚度系数的颗粒规则堆积而成, 体系的无序程度由缺陷率控制.模拟发现,无缺陷时体系的力网几乎是均匀的,而有缺陷时力网变得不均匀. 提出了主法向力与次法向力的概念,并对它们分别进行统计;随着缺陷率的增加,主法向力的分布经历了比较复杂的变化过程,而次法向力总是指数型分布.模拟结果表明,缺陷率较小时成分无序体系中的法向力分布与随机堆积体系很不相同,而缺陷率较大时得到了与随机堆积类似的结果.这些结果有助于理解力网的不均匀性与体系无序性的关系.     

成分无序颗粒体系中切向力的分布

采用离散元模拟研究成分无序颗粒体系中切向力的几率分布.将切向力分为主切向力和次切向力分别进行统计,结果表明主切向力与次切向力服从不同的分布.随着缺陷率的增加,主切向力由近似的正态分布变为双峰状的分布,最后变为单峰状的分布;而次切向力总是指数型分布.通过理论计算和模拟讨论了切向力分布,说明缺陷率较大的成分无序体系与结构无序体系有类似的力分布规律.     

利用激光光梯度力消除气溶胶雾霾粒子的机理研究

针对气溶胶雾霾粒子在大气流中所受力的平衡体系(旋转升力平衡重力, 粒子与粒子之间依靠斥力形成稳定的网状的力平衡体系)的问题, 提出了用激光光梯度力破坏力平衡进而消除雾霾的新机理. 首先, 根据牛顿第二定理, 得到了粒子所受力的非线性方程组, 应用Runge-Kutta 法积分求解了雾霾颗粒在大气流中所受的主要力(空气曳引阻力、范德瓦耳斯斥力、旋转升力)的数值, 成功验证了西安市2013年12月17-25日、2014年2月20-26日两次雾霾检测试验结论: 在雾霾过程中, 粒径在0.5-0.835 μm径段的粒子数浓度增加最明显. 其次, 在雾霾粒子形成的均匀介质中, 计算了激光光梯度力的大小. 研究发现, 激光光梯度力的数量级恒大于雾霾颗粒所受主要力的数量级, 激光光梯度力完全可以破坏雾霾颗粒所受力的平衡体系. 因此, 用激光光梯度力消除雾霾是可行的, 这种新的解决雾霾的方法对人们的实际生活、环保及创建美丽的蓝天具有非常重要的意义.     

Existence and analytical predictions of periodic motions in a periodically forced,nonlinear friction oscillator

The grazing bifurcation, stick phenomena and periodic motions in a periodically forced, nonlinear friction oscillator are investigated. The nonlinear friction force is approximated by a piecewise linear, kinetic friction model with the static force. The total forces for the input and output flows to the separation boundary are introduced, and the force criteria for the onset and vanishing of stick motions are developed through such input and output flow forces. The periodic motions of such an oscillator are predicted analytically through the corresponding mapping structure. Illustrations of the periodic motions in such a piecewise friction model are given for a better understanding of the stick motion with the static friction. The force responses are presented, which agreed very well with the force criteria. If the fully nonlinear friction force is modeled by several portions of piecewise linear functions, the periodically forced, nonlinear friction oscillator can be predicted more accurately. However, for the fully nonlinear friction force model, only the numerical investigation can be carried out.     

Effect of polarization force on the Jeans instability of self-gravitating dusty plasma

The effect of polarization force acting on massive charged dust grains is investigated analytically on the Jeans instability of self-gravitating dusty plasma. The gravitational force acting on the massive negatively charged interstellar dust grains are considered in presence of both electrical and polarization forces. The basic equations of the problem are formulated and a general dispersion relation is obtained using plane wave approximation in low frequency wave mode. The effect of polarization force in the dispersion relation of the problem, condition of the Jeans instability and expression of the critical Jeans wave number is examined. The unstable growing modes due to self-gravitational force are studied in the situation when polarization force on the dust grain exceeds over the electrical force in magnitude. It is observed that the polarization force increases the growth rate of the system.     

基于耦合振子模型的摩擦力计算研究

以界面摩擦为研究对象,探讨了基于耦合振子模型(coupled-oscillator model)的滑动摩擦微观机理,分析了滑动过程中的能量耗散问题. 采用Maugis-Dugdal接触模型替代界面摩擦中的Lennard-Jones势能,并将该模型融入耦合振子模型之中,通过计算振子在一个周期内的能量增加值,推导出了界面摩擦力的理论计算公式. 理论分析表明,对于探针-试样接触系统,滑动摩擦力近似随着法向载荷的2/3次方增加,这与纳米摩擦学经典理论是相符的.理论计算结果与超高真空原子力显微镜镀铜探针在Cu(111)晶面扫描实验结果符合良好,表明本文提出的理论和方法可行. 关键词： 耦合振子模型 界面摩擦 摩擦力 法向载荷     

Force between a magnetic tip and an inhomogeneous superconductor at zero field

The force exerted by a semi-infinite inhomogeneous superconductor with a planar interface to vacuum on a magnetic tip is studied theoretically in the absence of external magnetic fields. It is shown that the force has a contribution from inhomogeneities due to material defects with unique characteristics. Defects are taken into account in the London limit by allowing the mass parameter to vary spatially. The contribution from defects to the force is calculated analytically to first order in the deviation of the mass parameter from its constant value for the homogeneous superconductor, assuming that the tip is a point dipole perpendicular to the interface, and that it does not spontaneously create vortex matter. Random point defects and linear localized defects are considered phenomenologically. For each defect type the force dependence on the dipole position coordinates is obtained, and the force magnitudes are estimated numerically. The predictions for the dependence of the linear defect force on the dipole lateral position are found to agree qualitatively with experiment.     

Force field calculation for inplane vibrations of ethylene usingcndo/Force method

cndo/Force method is used to evaluate redundancy-free internal valence force field (rfivff) for inplane vibrations of ethylene. The bending force constants, the stretch-band and bend-bend interaction force constants are predicted reasonably well in magnitude and sign by this method; whereas stretching force constants and stretch-stretch interactions are overestimated. Initial force field is set up by transferring stretching force constants from structurally-related molecules and including the rest of the force constants fromcndo force field. The field so constructed is subjected to refinement by the least square method. A total of 64 vibrational frequencies of C₂H₄, C₂D₄, C₂H₂D₂ and their¹³C isotopic modifications are used to determine force field containing 15 parameters. The final force field is found to be reasonable on the basis of frequency fits, potential energy distribution and band assignments.     

Harmonic Force Fields from Scaled SCF Calculations: Program ASYM40

We report an extended version of our normal coordinate program ASYM40, which may be used to transform Cartesian force constants from ab initio calculations to a force field in nonredundant internal (symmetry) coordinates. When experimental data are available, scale factors for the theoretical force field may then be optimized by least-squares refinement. The alternative of refining an empirical force field to fit a wide variety of data, as with the previous version ASYM20, has been retained. We compare the results of least-squares refinement of the full harmonic force field with least-squares refinement of only the scale factors for an SCF calculated force field and conclude that the latter approach may be useful for large molecules where more sophisticated calculations are impractical. The refinement of scale factors for a theoretical force field is also useful when there are only limited spectroscopic data. The program will accept ab initio calculated force fields from any program that presents Cartesian force constants as output. The program is available through Quantum Chemistry Program Exchange. Copyright 2000 Academic Press.     

自由空间中球形粒子的负向声辐射力

针对一定声场作用下自由空间中的球形粒子,首先分析了声散射过程中的吸收声功率、散射声功率和损失声功率以及三者之间的关系,并通过计算发现了由于参数选取不当导致的负吸收现象。接着从动量守恒定律出发推导了声辐射力的一般表达式,阐释了声辐射力与声能流之间的关系,并从理论和计算两方面验证了负向声辐射力的存在。当负向声辐射力产生时,声波的背向散射被抑制。在此基础上,进一步研究了粒子的偏心特性和流体的黏度这两种常见因素对负向声辐射力的影响。利用球函数的加法公式推导了偏心球的散射系数和声辐射力公式,结果显示偏心距离、粒子的材料等都会显著改变负向声辐射力的产生条件。在低频近似下,由于流体黏度附加的正向声辐射力是否能完全抵消原来的负向声辐射力将决定最终的声辐射力方向。该结果对利用负向声辐射力制成单行波声学镊子来实现对特定粒子的操控有着理论指导意义。