内部接触应力广泛存在于飞行器密封结构、柔性器件及生物组织等系统中，直接影响界面载荷传递、接触刚度、局部变形以及疲劳与磨损演化，是评价结构承载状态与服役可靠性的重要力学指标。准确测量内部接触应力，对于揭示界面接触行为、评估结构服役性能及预测失效风险具有重要意义。然而，内部接触界面通常不可直接观测，传统光学测量方法受到界面可见性的限制，嵌入式传感器又可能改变原有接触状态，甚至引入局部应力集中，影响测量结果的准确性。因此，如何在不扰动原有界面接触状态的前提下，实现不可视内部接触应力的非侵入式定量测量，仍是接触力学与结构健康监测领域面临的重要挑战。

近日，北京理工大学先进结构技术研究院杨恒团队联合北京大学李国洋团队，提出了基于泄漏界面波相速度的内部接触应力反演方法。该研究建立了有限变形条件下无摩擦滑移界面的波传播理论，揭示了不同界面波模式的存在条件、能量泄漏特征及其对接触应力的响应规律，并结合有限元模拟与光学相干振动实验，识别出可稳定测量的主导界面波模式，建立并验证了界面波相速度与法向接触应力之间的定量关系。研究成果以“Interfacial leaky waves at sliding interfaces: existence, leakage, and sensitivity to contact stress”为题，发表于《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。

从理论建模到仿真分析与实验验证

团队建立了有限变形条件下无摩擦滑移界面的波传播理论，推导界面波相速度与法向接触应力之间的定量关系，并分析不同波模式的存在条件及能量泄漏特征。研究识别出非泄漏类Stoneley波（ST）、单侧泄漏波（SS1/SS1′）和双侧泄漏波（SS2）模式；在压缩接触条件下，SS1/SS1′模式衰减低于SS2，且更易在实验测量区间内稳定识别，因此被选为应力反演的目标模式。团队进一步开展有限元波传播模拟，分析不同材料组合下的波场分布与界面时空响应，并通过空间频谱将可测谱峰与理论预测模式对应，为稳定提取目标波速提供依据。

图1 （a）受压软滑移界面的理论模型；（b-c）两种异质材料（不同剪切波速比下）界面波模式分类；（d）ST为非泄漏模式；（e）SS1/SS1′为单侧泄漏模式；（f）SS2为双侧泄漏模式。

图2 泄漏界面波传播的有限元仿真及不同波模式的传播特征。（a-c）分别展示三种材料剪切模量组合（20–100、71–100和80–100 kPa）下的界面波场分布。（d–f）分别为与（a–c）对应的界面时空响应。

在实验方面，团队搭建了双层软材料接触与光学相干振动测量平台，并利用样品下方压力阵列提供接触应力参考。实验确认SS1模式在测量区间内具有清晰可辨的谱峰；在8 kHz激励下，其相速度随压缩接触应力增大而单调升高，与理论预测吻合，验证了波速—应力定量关系。该方法能够将实测界面波相速度转换为法向接触应力，无需在待测界面内嵌入压力传感器，为软材料、柔性结构及其他难以直接接近的接触界面提供了新的非侵入式力学状态表征方法。

图3 SS1模态识别及波速—接触应力关系的实验验证。（a）5–10 kHz下材料自由表面 Rayleigh 波与界面波的速度；（b）8 kHz下 SS1 波速随接触应力的变化及理论对比。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106854