温度-应力耦合作用下高密度聚乙烯板壳结构的导波频散特性

摘要

超声导波由于便捷、高效等优点被广泛应用于高密度聚乙烯（HDPE）板壳结构的缺陷识别和损伤监测，然而服役环境中的温度变化与结构应力会给导波频散特性带来不确定性的耦合影响，限制了导波检测技术的可靠性。基于Floquet-Bloch周期性边界，考虑温度-应力耦合下超弹性材料的初始应变能，建立HDPE板壳结构的频散分析模型，研究不同导波传播方向下温度-应力耦合作用对模态波结构、频散曲线和相速度变化的影响，并通过试验进行模型准确性验证；分别引入温度和应力敏感因子表征不同频率下导波模态相速度对环境温度和应力的敏感程度。结果表明：在均匀温度变化下导波传播平面内的不均匀应力状态会改变Lamb波和SH导波的位移波结构分布，导致两者的频散曲线在原本交叉点处彼此排斥并偏离；导波模态的相速度变化与温度-应力耦合条件、频率和传播方向密切相关；相同应变下，温度变化对导波模态相速度的影响明显大于结构应力；SH₀模态和中高频范围大于10 kHz的Lamb-A₀模态对温度变化和结构应力的敏感性均很弱，可以降低环境因素对导波信号的干扰，研究结果解释了不同环境温度和应力耦合作用对导波频散特性的影响规律。

关键词

HDPE板壳结构 / 温度-应力耦合 / Floquet-Bloch周期性边界 / 频散特性 / 敏感性分析