CN103616436B - 一种接触刚度的高精度超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触刚度的高精度超声检测方法，其采用宽频带超声波探头检测接触区域，并计算两个以上频率下超声反射率，然后将超声反射率及对应的频率带入新的结合面声学模型计算，然后将计算得到的结果采用修正公式进行修正，得到所要的接触刚度。与现有技术相比，本发明的结合面声学模型更加准确，能够大幅提高检测精度，实现接触刚度的准确检测。

Description

一种接触刚度的高精度超声检测方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，涉及一种超声检测方法，尤其是一种接触刚度的高精度超声检测方法。

背景技术

机械装备结合面刚度对设备的静、动态特性有重要影响，因此随着高端装备制造过程的日益精量化，接触刚度检测日益受到重视。超声波被广泛的应用于接触刚度检测，其可以适用于多种工业中常用的结合面。目前的接触刚度超声检测方法，通过检测超声体波在结合面处反射波与入射波的比值，即超声波反射率，然后将超声反射率带入结合面的声学模型计算得到接触刚度(见文献B.W.Drinkwater,R.S.Dwyer-Joyce,P.Cawley,Astudyoftheinteractionbetweenultrasoundandapartiallycontactingsolid-solidinterface,Proc.R.Soc.Lond.A452(1996)2613-2628.)。但是上述方法由于结合面声学模型并不准确，导致接触刚度检测结果误差过大(见已授权发明专利，题为：一种完全计及塑性影响的大接触界面法向刚度测量方法，申请号：2011100213377)。过大的测量误差导致超声波检测方法只能用于接触刚度定性的评估而不能用于定量的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种接触刚度的高精度超声检测方法，其能够大幅提高检测精度，实现接触刚度的准确检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种接触刚度的高精度超声检测方法，包括以下步骤：

1)采用宽频带超声波探头检测接触区域，并计算两个以上频率下超声反射率；

2)将超声反射率及对应的频率带入如下结合面声学模型计算：

${\left|R\right|}^2=\frac{Z^2({\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+1)}{Z^2{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+{(2k\mathrm{\λ}-Z)}^2}$

其中，R为超声反射率幅值；ω为R对应的超声波角频率；k为修正前的接触刚度；λ为松弛时间，为未知数；Z为的材料的声阻抗，材料声阻抗为已知；将两个不同的超声反射率及对应的角频率带入上述公式求解，取两个解中绝对值小的解；

3)将计算得到的k带入下面的修正公式：

$k_n=k\·\frac{(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{1-\mathrm{\μ}}$

其中，μ为结合面基体材料的泊松比；k_n即为修正后所求的接触刚度。

进一步，上述步骤1)中，所述超声反射率按照以下步骤得到：

(1)采用45号钢作为试件，上下试件表面粗糙度均为Ra0.5，实验前用丙酮擦拭试件；

(2)采用水为耦合剂，在结合面未接触情况下，将超声探头垂直于结合面的中心区域，检测中心区域的超声回波信号，以此回波信号为参考信号；

(3)然后使上下试件结合面接触，并施加不同的压力，分别检测结合面中心区域从24MPa到200MPa多个压强下的超声回波信号，以此回波信号为结合面信号；对结合面信号、参考信号进行傅里叶变换，然后利用下面公式计算不同频率下超声波反射率：

$R=\frac{H_i}{H_o}$

其中，R为超声反射率幅值，H_i为结合面信号幅值，H_o为相同频率下参考信号幅值；从而得到在不同压力下，不同频率下的超声波反射率。

进一步，上述步骤(2)中，所述超声探头为奥林巴斯V319型15MHz宽频水浸式探头。

本发明具有以下有益效果：

本发明的接触刚度的高精度超声检测方法首先计算两个以上频率下超声反射率，然后将超声反射率及对应的频率带入新的结合面声学模型中，然后求解得到k，并进行修正，得到所要的接触刚度。与现有技术相比，本发明的结合面声学模型更加准确，能够大幅提高检测精度，实现接触刚度的准确检测。

附图说明

图1是本发明结合面接触刚度超声检测示意图；

图2为本发明方法与较准确的结合面理论模型(KE模型)及现有超声检测方法的对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测方法作进一步详细说明。

1)参见图1：本发明的试验检测设备包括超声探头1，水2，上试件3，被测结合面4，下试件5，轴承6，压力传感器7和液压千斤顶8，各部分的安装位置如图所示，其中，本发明的上试件3和下试件5采用45号钢，上下试件被测量表面粗糙度均为Ra0.5。实验前用丙酮擦拭试件。为能利用结合面理论模型KE模型计算接触刚度，实验前应检测结合面接触区域的三维表面形貌。

2)本发明的超声探头1为奥林巴斯V319型15MHz宽频水浸式探头，采用水为耦合剂。在结合面未接触情况下，将超声探头垂直于结合面的中心区域，检测中心区域的超声回波信号，以此回波信号为参考信号。

3)上下试件结合面接触，并施加不同的压力。分别检测结合面中心区域从24MPa到200MPa多个压强下的超声回波信号，以此回波信号为结合面信号。对结合面信号、参考信号进行傅里叶变换。然后利用下面公式计算不同频率下超声波反射率：

$R=\frac{H_i}{H_o}$

其中，R为超声反射率幅值，H_i为结合面信号幅值，H_o为相同频率下参考信号幅值。从而得到在不同压力下，不同频率下的超声波反射率。

4)将两个不同频率的超声反射率及对应的角频率带入下面的结合面声学模型，

${\left|R\right|}^2=\frac{Z^2({\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+1)}{Z^2{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+{(2k\mathrm{\λ}-Z)}^2}$

其中，ω为超声波角频率，k为修正前的接触刚度，λ为松弛时间也是未知数，Z为的材料的声阻抗。45号钢声阻抗可通过查找资料得到。利用商业软件Maple求解析解。两个实数解中绝对值较小的解即为所求的k。

5)将所求的k带入下面的修正公式

$k_n=k\·\frac{(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{1-\mathrm{\μ}}$

其中，μ为结合面基体材料的泊松比。k_n即为修正后所求的接触刚度。

6)利用结合面理论模型KE模型(见文献L.Kogut,I.Etsion,Afiniteelementbasedelastic-plasticmodelforthecontactofroughsurfaces,Tribol.Trans.46(2003)383-390.)及接触区域三维表面形貌计算结合面在对应压力下的接触刚度，并与本发明提出的超声检测方法及现有的超声检测方法对比，结果参见图2，可见，相比于现有技术，本发明能够大幅提高检测精度。

Claims (3)

1.一种接触刚度的高精度超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用宽频带超声波探头检测接触区域，并计算两个以上频率下超声反射率；

2)将超声反射率及对应的频率带入如下结合面声学模型计算：

$|R{|}^2=\frac{Z^2({\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+1)}{Z^2{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\λ}}^2+{(2k\mathrm{\λ}-Z)}^2}$

其中，R为超声反射率幅值；ω为R对应的超声波角频率；k为修正前的接触刚度；λ为松弛时间，为未知数；Z为的材料的声阻抗，材料声阻抗为已知；将两个不同的超声反射率及对应的角频率带入上述公式求解，取两个解中绝对值小的解；

3)将计算得到的k带入下面的修正公式：

$k_n=k\·\frac{(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{1-\mathrm{\μ}}$

其中，μ为结合面基体材料的泊松比；k_n即为修正后所求的接触刚度。

2.根据权利要求1所述的接触刚度的高精度超声检测方法，其特征在于，步骤1)中，所述超声反射率按照以下步骤得到：

(1)采用45号钢作为试件，上下试件表面粗糙度均为Ra0.5，实验前用丙酮擦拭试件；

(2)采用水为耦合剂，在结合面未接触情况下，将超声探头垂直于结合面的中心区域，检测中心区域的超声回波信号，以此回波信号为参考信号；

(3)然后使上下试件结合面接触，并施加不同的压力，分别检测结合面中心区域从24MPa到200MPa多个压强下的超声回波信号，以此回波信号为结合面信号；对结合面信号、参考信号进行傅里叶变换，然后利用下面公式计算不同频率下超声波反射率：

$R=\frac{H_i}{H_o}$

其中，R为超声反射率幅值，H_i为结合面信号幅值，H_o为相同频率下参考信号幅值；从而得到在不同压力下，不同频率下的超声波反射率。

3.根据权利要求2所述的接触刚度的高精度超声检测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声探头为奥林巴斯V319型15MHz宽频水浸式探头。