CN104807566A - 基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法 - Google Patents

Abstract

基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法，涉及残余应力检测方法。基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法，所采用的检测装置主要由信号发生器、功率放大器、电桥电路、差分放大器、前置放大器及PCI数据采集卡组成，信号发生器信号输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接电桥电路输入端，为避免温漂等影响，电桥电路中的2个桥臂为相同的矩形线圈，其中1个作为检测线圈，另1个作为参考线圈；另2个桥臂为电阻，电桥电路输出端接差分放大器输入端，差分放大器输出端接前置放大器输入端，前置放大器输出端接PCI数据采集卡输入端；检测方法：1)建立铝合金涡流响应曲面；2)线圈扫描；3)信号处理与应力状态识别。

Description

基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测方法，尤其是涉及基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法。

背景技术

铝合金作为制造业发展的基础材料，在航空航天、高速铁路、船舶制造、汽车工业等支柱产业中有着重要地位。残余应力往往是造成铝合金结构破坏的重要因素。有效的评价应力状态，特别是导致损伤出现的临界应力状态是评价设备结构强度、可靠性的重要依据。目前，应用较多的残余应力检测法有盲孔法、X射线法、超声波法以及磁测法^[1]～[4]，这些方法在使用上存在很大的局限性。盲孔法需要在材料表面加工小孔，对材料是一种损伤；X射线法检测设备昂贵，并且对检测人员技术水平要求较高，仅适合于实验室使用；超声波法需要耦合剂，难以检测形状复杂的构件；磁测法局限于磁性材料检测，不适用于铝合金等非铁磁性材料。涡流检测检测方法具有非接触、设备简单、适用范围广等优点，现有残余应力涡流检测研究基本局限于原理和机理研究^[5]～[7]，还未提出完整的采用涡流检测方法检测铝合金板材的残余应力。

而且目前的一般检测中，存在只能检测残余应力大小而不能检测柱应力方向的缺陷。

参考文献：

[1]张晓宏，赵海燕，蔡志鹏，吴甦.小孔法测量残余应力时孔边塑性应变的有限元分析及修正[J].机械工程学报，2005，41(3)：193-200.

[2]张持重，李冬梅，庞绍平，关尚军.采用X射线法测算金属材料内部残余应力的研究[J].吉林化工学院学报，2001，18(4)：73-75.

[3]朱伟，彭大暑，杨立斌，张辉.超声波法测定残余应力的原理及其应用[J].计量与测试技术，2001，28(6)：25-26.

[4]尹何迟，颜焕元，陈立功，倪纯珍.磁巴克豪森效应在残余应力无损检测中的研究现状及发展方向[J].无损检测，2008，30(1)：34-37.

[5]周德强.航空铝合金缺陷及应力脉冲涡流无损检测研究[D].南京航空航天大学，2010.

[6]M.Morozov,G.Tian,P.J.Withers.Noncontact evaluation of the dependencyof electrical conductivity on stress for various Al alloys as a function of plasticdeformation and annealing[J].Journal of Applied Physics,2010,108(024909):1-9.

[7]F.Yu,P.B.Nagy.Dynamic piezoresistivity calibration for eddy currentnondestructive residual stress measurement[J].Journal of Nondestructive Evaluation,2005,24(4):143-151.

发明内容

本发明的目的是提供一种无需昂贵的检测设备及耦合剂等，可方便地检测残余应力的大小及方向的基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法。

本发明采用如下技术方案：

基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法，所采用的检测装置主要由信号发生器、功率放大器、电桥电路、差分放大器、前置放大器及PCI数据采集卡组成，信号发生器信号输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接电桥电路输入端，为避免温漂等影响，电桥电路中的2个桥臂为相同的矩形线圈，其中1个作为检测线圈，另1个作为参考线圈；另2个桥臂为电阻，电桥电路输出端接差分放大器输入端，差分放大器输出端接前置放大器输入端，前置放大器输出端接PCI数据采集卡输入端；

所述检测方法，包括以下步骤：

1)建立铝合金涡流响应曲面

采用基础实验与数值仿真相结合的方法建立涡流响应曲面；基础实验是进行铝合金板材单向拉伸实验，试件设计根据国家标准GB/T 228-2002；采用所述检测装置检测涡流信号，涡流信号为检测线圈的输出电压；采用电子引申计测量试件的应变，得到应变与涡流信号的关系，V_x＝f(ε_x)；通过仿真，改变材料的电导率，计算涡流响应，将仿真结果与实验结果对比，得到单向应力状态下电导率与应变的关系σ_x＝f(ε_x)；对复杂应力状态，仍然采用仿真的方法建立应力状态与涡流响应间的关系——涡流响应曲面；然后取不同的主应力s₁₁和s₂₂，利用虎克定律计算对应的主应变：

       $\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}=\frac{1}{E}(s_{11}-\mathrm{\μ}{s}_{22})& {\mathrm{\ϵ}}_{22}=\frac{1}{E}(s_{22}-\mathrm{\μ}{s}_{11})\end{array}$

由σ_x＝f(ε_x)，可得两个主应变分别对应的电导率σ₁和σ₂，通过电各向异性材料涡流响应仿真可得主应力s₁₁和s₂₂对应的涡流响应分别V₁和V₂，求出二者之和，就可得到应力-涡流响应曲面；将响应曲面采用数据文件的形式存储；

2)线圈扫描

采用矩形线圈检测涡流信号的大小，同时记录最大涡流信号出现的方位；检测时，将线圈所在平面与检测件表面垂直，参考线圈放置在与待检测件相同的、无应力的材料表面；检测线圈进行旋转扫描，对每个检测点，检测线圈需旋转3～5周，记录每周的检测数据；在待检测件表面移动线圈，可实现对整个检测件的检测；

3)信号处理与应力状态识别

根据已建立的涡流响应曲面以及检测涡流信号，反推主应力大小及方向；矩形线圈在旋转扫描过程中，检测信号出现极值的方位，对应的就是主应力的方向；检测线圈在旋转过程中输出的涡流响应极值若为V₁和V₂，可通过两信号比值及两信号和在涡流响应曲面上读出对应了主应力大小；检测线圈每旋转一周可记录一次涡流响应极值，多次记录的平均值作为涡流响应极值V₁和V₂。

步骤3)中，所述主应力大小的识别方法如下：

(1)探头旋转扫描，测得两个感应电压极值V₁和V₂；

(2)计算感应电压极值的比值V_r＝V₁/V₂及感应电压的和V_s＝V₁+V₂；

(3)根据感应电压极值的比值，由感应电压比值与主应力比值的关系V_r＝f(s_r)，反演计算主应力比值s_r；

(4)利用已建立的应力响应曲面，即主应力合成与涡流信号的关系，V_s＝f(s₁,s₂)以及主应力比值s_r，反演计算主应力的大小。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

本发明基于材料压阻效应原理，提供了一种铝合金板材残余应力检测的电磁涡流检测方法。检测时，信号发生器产生正弦信号，参考线圈与检测线圈接入电桥电路，采用电桥及差分放大器及前置放大器目的是降低噪声，提高信噪比。通过选择矩形线圈，可以检测到涡流响应的极值，从而确定主应力方向。检测线圈以感应电压的形式输出检测信号。

采用该方法检测铝合金板材的残余应力，无需昂贵的检测设备及耦合剂等，可方便地检测残余应力的大小及方向。

附图说明

图1为本发明所述检测方法中采用的检测装置结构组成示意图。

图2为本发明所述检测方法中对主应力大小的识别流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明所采用的检测装置由信号发生器1、功率放大器2、电桥电路3、差分放大器4、前置放大器5及PCI数据采集卡6组成。信号发生器1信号输出端接功率放大器2输入端，功率放大器2输出端接电桥电路3输入端a和b，为避免温漂等影响，电桥电路3中的2个桥臂为相同的矩形线圈，其中1个作为检测线圈31，另1个作为参考线圈32；另2个桥臂为电阻R1和R2，电桥电路3输出端c和d接差分放大器4输入端，差分放大器4输出端接前置放大器5输入端，前置放大器5输出端接PCI数据采集卡6输入端。

所述检测方法与前述一致，此不赘述。按照此检测方法，本领域技术人员可以重复再现，可以根据实际要求设计出具体产品。

参见图2，所述检测方法中对主应力大小的识别方法与前述也一致，此不赘述。

Claims (2)

1.基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法，其特征在于，

所采用的检测装置包括信号发生器、功率放大器、电桥电路、差分放大器、前置放大器及PCI数据采集卡组成；信号发生器信号输出端接功率放大器输入端，功率放大器输出端接电桥电路输入端，电桥电路中的2个桥臂为相同的矩形线圈，其中1个作为检测线圈，另1个作为参考线圈；另2个桥臂为电阻，电桥电路输出端接差分放大器输入端，差分放大器输出端接前置放大器输入端，前置放大器输出端接PCI数据采集卡输入端；

所述检测方法，包括以下步骤：

1)建立铝合金涡流响应曲面

采用基础实验与数值仿真相结合的方法建立涡流响应曲面；基础实验是进行铝合金板材单向拉伸实验，试件设计根据国家标准GB/T 228-2002；采用所述检测装置检测涡流信号，涡流信号为检测线圈的输出电压；采用电子引申计测量试件的应变，得到应变与涡流信号的关系，V_x＝f(ε_x)；通过仿真，改变材料的电导率，计算涡流响应，将仿真结果与实验结果对比，得到单向应力状态下电导率与应变的关系σ_x＝f(ε_x)；对复杂应力状态，仍然采用仿真的方法建立应力状态与涡流响应间的关系——涡流响应曲面；然后取不同的主应力s₁₁和s₂₂，利用虎克定律计算对应的主应变：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}=\frac{1}{E}(s_{11}-{\mathrm{\μs}}_{22})& {\mathrm{\ϵ}}_{22}=\frac{1}{E}(s_{22}-{\mathrm{\μs}}_{11})\end{array}$

由σ_x＝f(ε_x)，可得两个主应变分别对应的电导率σ₁和σ₂，通过电各向异性材料涡流响应仿真可得主应力s₁₁和s₂₂对应的涡流响应分别V₁和V₂，求出二者之和，就可得到应力-涡流响应曲面；将响应曲面采用数据文件的形式存储；

2)线圈扫描

采用矩形线圈检测涡流信号的大小，同时记录最大涡流信号出现的方位；检测时，将线圈所在平面与检测件表面垂直，参考线圈放置在与待检测件相同的、无应力的材料表面；检测线圈进行旋转扫描，对每个检测点，检测线圈需旋转3～5周，记录每周的检测数据；在待检测件表面移动线圈，可实现对整个检测件的检测；

3)信号处理与应力状态识别

根据已建立的涡流响应曲面以及检测涡流信号，反推主应力大小及方向；矩形线圈在旋转扫描过程中，检测信号出现极值的方位，对应的就是主应力的方向；检测线圈在旋转过程中输出的涡流响应极值若为V₁和V₂，可通过两信号比值及两信号和在涡流响应曲面上读出对应了主应力大小；检测线圈每旋转一周可记录一次涡流响应极值，多次记录的平均值作为涡流响应极值V₁和V₂。

2.如权利要求1所述基于涡流响应曲面的铝合金板材残余应力检测方法，其特征在于，在步骤3)中，所述主应力大小的识别方法如下：

(1)探头旋转扫描，测得两个感应电压极值V₁和V₂；

(2)计算感应电压极值的比值V_r＝V₁/V₂及感应电压的和V_s＝V₁+V₂；

(3)根据感应电压极值的比值，由感应电压比值与主应力比值的关系V_r＝f(s_r)，反演计算主应力比值s_r；

(4)利用已建立的应力响应曲面，即主应力合成与涡流信号的关系，V_s＝f(s₁,s₂)以及主应力比值s_r，反演计算主应力的大小。