薄膜涂层材料中弹性波的传播与涂层特性的超声波反演

摘要

随着材料科学的迅速发展,表面具有各种特殊性能的薄膜涂层材料在工程中得到广泛应用.薄膜材料产品设计和质量检测中,涂层材料特性可作为选材标准和评价指标,测定涂层特性有很大的工程实用价值:另一方面,薄膜涂层形成过程中萌生的各种界面缺陷是导致涂层材料的动、静态破坏的主要原因,准确识别界面缺陷是进行薄膜材料寿命评估和失效分析的基础.因此,作为超声波测定涂层特性和识别界面缺陷的理论基础,薄膜涂层材料中弹性波传播问题的研究具有十分重要的工程应用价值. 本论文的研究工作分为两大部分:(1)研究界面完全结合的薄膜涂层材料中广义Rayleigh波的传播,着重分析薄膜涂层密度及弹性常数等对频散特性的影响;基于广义Rayleigh波的相速度频散方程,研究超声波测定涂层特性的反演算法.(2)研究薄膜涂层材料中界面Griffith裂纹和币形裂纹对弹性波的散射,分析界面裂纹尺寸、涂层材料性质和波频率对散射波场的应力和位移的影响. 在本论文的第一部分工作中,研究了薄膜涂层材料性质对广义Rayleigh波频散特性的影响.研究表明广义Rayleigh波在快覆层结构和慢覆层结构中传播特性完全不同,并且得到了一些非常有实际意义的结论:横波速度小于基体横波速度的涂层(慢层)减缓广义Rayleigh波的传播;而快层加速波的传播.密度大于基体密度的涂层(密质涂层)有减缓波传播的趋势;轻质涂层则加快波的传播.此外,针对不同的涂层厚度、密度和弹性常数等情况,给出了广义Rayleigh波的相速度、群速度以及波场位移和应力的精确解,为涂层特性的超声反演提供了理论依据. 其次,基于涂层结构中表面波的频散方程,引入涂层厚度、材料常数和表面波频率等作为变量的目标函数,提出了一种从表面波相速度频散数据反向计算涂层厚度和材料常数的方法.通过大量的数值算例详细分析了不同材料组合情况下涂层厚度和材料常数的反演过程.此外,提出采用相速度频散数据的多阶模态进行反演的方法,解决了涂层特性反演过程中存在的多值性问题.在第二部分研究工作中,首先研究了薄膜涂层材料中界面 Griffith 裂纹对弹性波散射的问题.结合积分变换、渐近分析和围道积分技术,推导了散射波场的应力和位移的理论计算公式.在现有研究的基础上,更深入地研究了材料组合、裂纹尺寸和薄膜厚度等因素对散射波场的影响,详细分析了界面裂纹对纵波和横波的散射,给出了动应力强度因子和裂纹张开位移的精确解.揭示了动应力强度因子、裂纹张开位移与裂纹尺寸、材料组合和入射波频率的内在联系.本文的分析方法和理论公式适用于界面Griffith裂纹对各种类型的弹性波散射问题. 其次,研究了薄膜涂层结构中币形界面裂纹对弹性波的散射,推导了散射波场的应力、动应力强度因子以及波场位移的计算公式.着重分析了不同材料组合、裂纹尺寸和入射波频率等情况下,动应力强度因子和裂纹张开位移的精确解.另外,为验证理论推导所提出的有限元分析方法,可以作为一种数值分析方法拓展到研究三维界面裂纹弹性波散射的非对称问题. 本文对上述问题研究所取得的成果,有助于进一步分析薄膜涂层材料的动态破坏机理:有助于深入研究涂层特性和界面缺陷的超声波识别等弹性动力学反问题.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.2薄膜涂层材料弹性波传播问题的研究概况

1.2.1完全结合界面与波的相互作用

1.2.2界面缺陷对弹性波的散射

1.3薄膜涂层材料的超声波反演问题

1.3.1超声波测定涂层特性的研究概况

1.3.2薄膜涂层材料界面缺陷的识别

1.4主要研究工作

参考文献

第二章薄膜涂层材料中的广义Rayleigh波

2.1引言

2.2分析模型与波动方程

2.3广义Rayleigh波的特征方程

2.4广义Rayleigh波的频散特性

2.5算例分析

2.6本章小结

参考文献

第三章表面波测定涂层特性的反演方法

3.1引言

3.2表面波测定涂层特性的理论基础

3.2.1薄膜涂层结构中表面波的频散方程

3.2.2薄膜涂层厚度对相速度频散的影响

3.3表面波相速度频散曲线的测量方法

3.4涂层特性测定的反演算法

3.5频散数据的单阶模态反演涂层特性

3.5.1涂层厚度的反演过程

3.5.2涂层材料常数的反演过程

3.6相速度频散数据的多阶模态反演

3.7本章小结

附录3.1

参考文献

第四章薄膜涂层材料中界面Griffith裂纹对弹性波的散射

4.1引言

4.2界面裂纹对弹性波散射的问题描述

4.3奇异积分方程的求解方法

4.4数值分析

4.4.1界面裂纹对纵波的散射

4.4.2界面裂纹对横波的散射

4.5本章小结

附录4.1

附录4.2

附录4.3

参考文献

第五章薄膜涂层材料中币形界面裂纹的弹性波散射

5.1引言

5.2问题描述与理论分析

5.2.1币形界面裂纹对弹性波散射问题的描述

5.2.2奇异积分方程的建立与求解

5.2.3动应力强度因子与裂纹张开位移

5.3数值分析与讨论

5.3.1有限元方法验证

5.3.2算例分析

5.4本章小结

附录5.1

附录5.2

参考文献

第六章结论与展望

6.1本论文结论

6.2本论文创新点

6.3展望

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢