CN105203638A - 基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法 - Google Patents

Abstract

目前钢构件应力无损检测方法主要存在以下缺点：一是只能检测应力的改变量，而不能检测绝对应力；二是检测应力位于构件表面和表面以下最多几十微米的深度范围，而不能检测更深深度范围的应力；三是可检测单向绝对应力，但不能检测绝对应力沿深度分布。为克服现有技术的不足本发明提供了一种基于临界折射纵波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，通过标定不同频率的Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数B，采用自制卡尺探头检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时t，来求解钢构件绝对应力σ沿深度分布。使用本发明的方法的检测结果精度较高，能满足实际工程中的误差要求，并且在检测过程中不会对结构构件造成破坏。

Description

基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法

技术领域

本发明属于钢构件绝对应力无损检测领域，具体涉及一种钢构件绝对应力沿深度分布检测方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，我国正在兴建和筹建越来越多的钢结构工程项目。与此同时，人们对这类工程的安全性越来越关注和重视。为确保结构安全及人民的生命财产和安全，进行钢结构的健康监测是十分必要的。结构健康监测的内容很多，如载荷监测、温度监测、加速度监测、位移监测、应变监测、应力检测等等。在役钢构件内部的应力是结构安全状态的重要指标，在钢结构健康监测中占有重要地位。通过对已建或在建的钢构件进行应力检测，可以避免由于设计失误引发的工程事故；通过对使用时间较长钢构件进行应力检测，可以解决结构构件绝对应力的检测问题；通过对灾后钢结构的构件进行应力检测，可为灾后钢结构安全评估提供现实依据。因此，对钢构件应力的检测有重要意义。

目前，已成熟的应力检测方法有：电阻应变计法、光弹性法、X射线法、磁弹性法、钻孔法等。对在役钢构件内部绝对应力检测，各个方法均有缺陷。电阻应变片法虽然可以准确记录应力，但是只能记录构件表面应力的改变量，对构件内部的绝对应力无法检测；光弹性法必须用具有双折射效应的透明材料制作与工件形状类似的模型，这一点钢材不能满足要求；X射线法准确性好、可靠性高，但是该方法的测量精度受到许多因素的影响，且测量深度仅达几十微米，对在役钢结构内部应力检测不适合；磁弹性法受磁化条件限制，可靠性和精度差，且设备复杂，不适合于钢结构内部绝对应力检测；钻孔法虽然精度高，可以检测构件的绝对应力，但是会对原结构造成破坏，也不适合钢构件内部应力的无损检测。所以，传统的应力检测方法并不适合于钢构件内部应力无损检测这一要求。

由于传统应力检测方法的缺点和问题，近年来许多的其它领域的专家学者开始研究基于超声波法的应力无损检测方法，并且取得了不少的成绩。如哈尔滨工业大学的方洪渊等人，他们用超声波法对焊接残余应力的无损测量，该试验方法克服了传统切割释放测量方法费时耗力的缺点，为焊接结构服役状态下的可靠性评估奠定了基础。浙江工业大学的鲁聪达等人，他们用超声波技术检测螺栓的紧固轴力，并研究了螺栓扭拉复合受力状态和单一只受轴力受力状态的超声特性曲线区别，实验证实了声传播时间差和轴向应力的线性关系，测得的结果比较准确，超声波在螺栓中的反射示意图如附图1所示(图中的1为入射波，2为反射波)。同济大学的李永攀等人做了用反射纵波法来检测钢轨应力的实验，结果显示应力变化引起的钢材料特性变化导致了声传播速率的变化,且应力变化与声传播速率的变化呈线性关系。该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。李祚华等人提出采用Lcr波法无损检测在役钢结构构件内部绝对应力(详见专利文献1：中国发明专利申请号CN201410181350.2)，理论和试验验证了Lcr波在钢构件中的传播速度与钢构件中的应力成线性关系，首次实现了建筑钢结构构件绝对应力的无损检测。

此外，中国矿业大学的胡而已等人提出了一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的装置和方法(详见专利文献2：中国发明专利申请号CN201410723236.8)，该方法实现了A3钢绝对应力的无损检测。但仍有以下几个方面的不足：第一，该方法使用的超声波波型为表面波，这种波型的特点使其只能检测构件的表面应力；第二，该发明专利所提出的方法所检测的应力对象为构件表面二维绝对应力，不能检测构件内部绝对应力，也不能检测绝对应力沿构件深度方向的分布；第三，该装置和方法要用到成一定角度的六个超声换能器，这要求构件表面的尺寸要求严格，不适用于建筑结构中最常用的长细钢构件。

因此，上各领域的方法直接应用于钢构件绝对应力沿深度分布的无损检测均存在一些问题。主要包含以下几个方面：第一，构件材质的差别，钢结构用钢主要是低碳钢和合金钢，而铁路行业中铁轨的用钢均为特种钢材，且钢材种类较单一，焊接残余应力的检测中，母材因为受温度影响织构会发生改变，这与建筑行业的钢材种类不同；第二，构件尺寸的影响，钢构件，如型钢、钢管等，其表面形态和构件形状具有特殊性，由于这个因素的影响，使得其与上述方法中如螺栓的轴向应力检测选用的波型和探头布置方式有很大区别；第三，波形的选取，上述方法选用的波型为纵波、纵横波相结合等，使用这些波型无法测量钢构件内部绝对应力。而且，目前钢构件应力无损检测方法主要存在以下缺点：一是只能检测应力的改变量，而检测不了当前状态下的应力大小；二是检测的应力位置处于构件表面和表面以下最多几十微米的深度范围，而检测不了几个毫米深度的应力大小；三是所检测绝对应力为单向应力，不能检测绝对应力沿深度分布。

发明内容

鉴于现有技术存在的技术问题，本发明通过大量的实验研究，提出一种基于临界折射纵波(Lcr波)法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，与现有技术相比，本发明选用的超声波波型为Lcr波，可以检测钢构件中绝对应力沿深度方向的分布。在检测过程中超声波换能器占的面积小，对构件表面的尺寸要求不严格。该方法还能够针对钢构件的材质特征、尺寸特点等因素，准确无损检测出钢构件绝对应力沿深度的分布。

具体地，通过以下方案解决相应技术问题：

一种基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，包括：通过标定不同频率的Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数，采用自制卡尺探头检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时，来求解钢构件绝对应力沿深度分布。

其中，所述绝对应力是指在役钢构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是某段时间内应力的改变量。

所述方法包括以下步骤，第一步：标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度；第二步：标定不同频率Lcr波在固定声程上的声弹性系数B；第三步：测量不同频率Lcr波在在役钢构件中的传播声时t；第四步：在役钢构件绝对应力σ沿深度分布的求解。其中，第二步到第四步是在单向绝对应力检测系统上进行的，该过程需用到以下公式：

σ＝B(t₀-t)

在该公式中，σ即为钢构件某深度的绝对应力，单位是MPa；B为应力-声时差系数，单位是MPa/ns；t₀为复制钢构件零应力状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns；t为在役钢构件工作状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns。

所述方法通过硬件平台和软件平台实现，其中，所述硬件平台包括临界折射纵波传播频率和深度对应关系标定系统、自制卡尺探头、单向绝对应力检测系统，所述软件平台用于处理采集到的信号，求出在役钢构件的内部二维绝对应力。

所述第一步具体为：1.将卡尺探头置于钢构件上，调整超声波换能器的发射角度和接收角度，使发射探头发出的信号进入钢构件后产生特定频率的Lcr波，传播一段距离后被接收探头接收，接收到的Lcr波信号稳定显示于示波器屏幕上；2.采用铣刀在两探头中间的钢构件上制作凹槽，深度由浅到深，在此过程中观察示波器上Lcr波的幅值；发射探头发射的Lcr波传播至凹槽时会受到阻碍，因此接收探头接收到的Lcr波信号幅值会减弱；随着凹槽深度的不断增加，Lcr波幅值不断减小，直到凹槽深度和Lcr波的传播深度相等时，凹槽把Lcr波传播能量全部阻挡，此时Lcr波在示波器上消失；3.记录Lcr波消失时凹槽的深度，该深度即为该频率的Lcr波在钢构件中的传播深度。

Lcr波传播声程的测定需要用到所述自制卡尺探头，所述卡尺探头由超声波换能器和游标卡尺组成，可精确确定Lcr波传播声程。

所述单向绝对应力检测系统包括超声波发生装置、超声波换能器、信号放大器、信号采集装置。

所述钢构件包括以型钢为代表的表面是平面的构件和以钢管为代表的表面是曲面的构件。

本方法的有益效果包括：本发明所提出的基于超声波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，能实现对钢构件内部应力进行无损检测，且检测结果得到了验证，精度较高，能满足实际工程中的误差要求。整个的检测装置构造简单，安装方便，成本低，易于实现。在检测过程中不会对结构构件造成破坏。可应用于在建的和已建的钢构件应力无损检测，也可应用于经自然灾害后的钢构件应力无损检测。

附图说明

图1是现有技术中超声波在螺栓中的反射示意图；

图2是本发明选择的卡尺探头示意图；

图3是本发明选择的Lcr波传播频率和深度对应关系标定系统示意图；

图4是本发明的方法中Lcr波传播深度标定示意图；

图5是本发明的方法进行试验所用超声波换能器示意图；

图6(a)是加载装置加载在U形钢构件的示意图；

图6(b)是加载装置加与U形钢构件之间放置上垫片示意图；

图6(c)是加载装置加与U形钢构件之间放置下垫片示意图；

图7是1MHz的Lcr波在不同深度凹槽下的接收时间差曲线；

图8是本发明与试验对应的数值模拟应力场示意图；

图9是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明为一种基于超声波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测的装置和方法，其它凡其原理和基本结构或实现方法与本方法相同或近似的，均在本方法保护范围之内。为了解释本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1本发明基于超声波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法及相关原理解释

本发明的方法是在硬件平台和软件平台的基础上实施的，硬件平台包括Lcr波传播频率和深度对应关系标定系统、自制卡尺探头、单向绝对应力检测系统(详见专利文献1)，软件平台用于处理采集到的信号，求出在役钢构件绝对应力沿深度分布。其中，所述绝对应力是指在役钢构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是某段时间内应力的改变量。所述卡尺探头，其作用是通过确定两换能器之间的精确距离确定Lcr波的传播声程，设计实物图如附图2所示。

基于超声波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法的原理如下。

专利文献1已通过理论和实验得出了如下结论：在弹性范围内，钢构件中的绝对应力和Lcr波在钢构件中的传播速度成线性关系，即在固定声程上，钢构件中的绝对应力和Lcr波在钢构件中的传播声时成线性关系。这种线性关系可用下式表示：

σ＝B(t₀-t)(1)

公式(1)中，σ即为钢构件某深度的绝对应力，单位是MPa；B为声弹性系数，单位是MPa/ns；t₀为复制钢构件零应力状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns；t为在役钢构件工作状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns。超声波波型选择为Lcr波，因为Lcr波受被测构件组织的影响小，衰减率低，比如在45#钢中Lcr波能传播超过300mm并保持良好的波形。

基于上述结论，可以实现采用Lcr波法对钢构件单向绝对应力的无损检测，但是不能实现对钢构件绝对应力沿深度分布的无损检测。所述绝对应力是指在役钢构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是某段时间内应力的改变量。

钢构件绝对应力沿构件深度分布的检测是本发明的核心。Lcr波的传播深度是频率的函数，这为钢构件绝对应力沿深度分布的无损检测提供了可能。但是这种函数关系理论上是未知的。为了确定Lcr波传播深度与频率的关系，本发明提出试验标定二者的对应值。

调整Lcr波的发射频率，使之恰好可以传播到钢构件的待测深度，此时即可检测待测深度的绝对应力。但是Lcr波的传播深度和频率的函数关系理论上是未知的，为了确定这种关系，本发明提出采用在钢构件上挖槽的方法测定。即Lcr波在一个表面平整的钢构件上传播，在构件表面由浅到深挖槽，由于凹槽对Lcr波传播的阻碍作用，接收探头接收到的Lcr波信号逐渐减弱。当Lcr波信号传播深度大于凹槽深度时，接收到的Lcr波信号逐渐减弱，Lcr波的传播声时不会发生明显变化；当Lcr波信号传播深度等于凹槽深度时，接收到的Lcr波信号不再减弱，Lcr波的传播声时开始增大，此时，凹槽深度即为Lcr波的传播深度。通过此方法可以建立起凹槽深度和Lcr波频率之间的对应的关系。将所测得不同频率值的Lcr波在钢构件中的传播深度做总结，得到Lcr波传播深度和频率之间一一对应的关系。在实测时，通过改变Lcr波的频率检测应力沿构件深度的分布。

具体地，试验标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度的方法为：1.将特定频率的换能器固定在卡尺探头上，调整卡尺探头上两个换能器之间的距离，确定好Lcr波的传播声程后将扭紧卡尺探头的螺丝；2.调整换能器的发射角和接收角，使之等于第一临界折射角；3.将特定频率的卡尺探头放在Lcr波传播频率和深度对应关系标定系统(如附附图3所示)上试验，通过凹槽由浅到深的变化观察Lcr波在示波器上的幅值大小和传播声时的变化，当Lcr波的幅值不断减小、传播声时没有明显变化时，凹槽深度小于Lcr波的传播深度；当Lcr波的幅值不再减小、传播声时开始变大时，凹槽深度即为Lcr波的传播深度。Lcr波传播深度标定示意图如附图4所示。

因此，基于超声波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法分四步，如附图9所示，第一步是标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度，第二步是标定不同频率Lcr波在固定声程上的声弹性系数B，第三步是测量不同频率Lcr波在在役钢构件中的传播声时t，第四步是在役钢构件绝对应力σ沿深度分布的求解。具体实施过程如下：

第一步，标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度。1.将卡尺探头置于钢构件上，调整超声波换能器的发射角度和接收角度，使发射探头发出的信号进入钢构件后产生特定频率的Lcr波，传播一段距离后被接收探头接收，接收到的Lcr波信号稳定显示于示波器屏幕上。2.采用铣刀在两探头中间的钢构件上制作凹槽，深度由浅到深，在此过程中观察示波器上Lcr波的幅值。发射探头发射的Lcr波传播至凹槽时会受到阻碍，因此接收探头接收到的Lcr波信号幅值会减弱。随着凹槽深度的不断增加，Lcr波幅值不断减小，直到凹槽深度和Lcr波的传播深度相等时，凹槽把Lcr波传播能量全部阻挡，此时Lcr波在示波器上消失。3.记录Lcr波消失时凹槽的深度，该深度即为该频率的Lcr波在钢构件中的传播深度。

第二步，标定不同频率Lcr波在固定声程上的声弹性系数B。1.对在役钢构件进行复制，即选用和在役钢构件同一规格生产的构件作为在役钢构件的复制构件。2.复制钢构件零应力状态下超声波传播声时的测量，即复制钢构件在不受外荷载作用时测定固定声程上Lcr波的传播声时。3.采用与单向绝对应力相同的方法标定特定频率的Lcr波在固定声程上的声弹性系数B。

第三步，测量不同频率Lcr波在在役钢构件中的传播声时t。1.对在役钢构件放置探头位置处用砂纸打磨处理，使构件表面光洁，保证构件和探头紧密接触，待检测完毕后再做防腐处理。2.不改变卡尺探头上两探头之间的距离，将卡尺探头置于在役钢构件上测量Lcr波在在役钢构件中的传播声时。

第四步，在役钢构件绝对应力沿深度分布的求解。将上述标定的声弹性系数和测定的Lcr波在复制钢构件和在役钢构件中的传播声时代入公式(1)中，即为特定Lcr波频率对应在钢构件中传播深度的绝对应力值。

实施例2本发明基于超声波法无损检测钢构件绝对应力沿深度分布方法用于钢构件的测试

为了验证本发明方法检测钢构件绝对应力沿深度分布的检测精度，做了如下的检测钢构件绝对应力的试验和对比试验。

为使钢构件受力时产生沿深度不均匀分布的绝对应力，设计如附图6所示的U形钢构件，其中，附图6(a)是加载装置加载在U形钢构件的示意图，附图6(b)是加载装置加与U形钢构件之间放置上垫片示意图，附图6(c)是加载装置加与U形钢构件之间放置下垫片示意图。在构件的上下左右四个面共布置了54个应变片，实时观察加载后不同位置的应变数值，加载后做记录，以便验证本发明所测结果。加载装置采用千斤顶，加载后，钢构件上部将产生弯矩，正应力将沿深度方向存在线性的变化，此时，可利用不同频率的超声波探头检测不同深度的应力。

按照实施例1中的检测步骤进行U形钢构件绝对应力沿深度分布的检测。

第一步，标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度。

以Q235钢板作为研究对象，对钢板做处理，用铣刀制作宽5mm，深度从1mm增大到16mm的凹槽，首先对1MHz的超声波换能器进行试验，测出其对应Lcr波的传播深度：

(1)设定Lcr波的传播声程为30mm，锁紧卡尺，确保探头相对稳定，在探头与构件接触面涂抹耦合剂(机油)，打开检测装置；

(2)将发射探头和接收探头置于钢板无凹槽的平滑区域，调整示波器，令Lcr波信号清晰的显示在屏幕中央；

(3)移动发射探头和接收探头，先将凹槽置于两探头中间位置，观察示波器中领Lcr波信号的变化，如果振幅不断减小，Lcr波的传播声时没有明显变化，则表示该频率的Lcr波传播深度大于此凹槽深度；

(4)移动发射探头和接收探头，依次将其置于更深的凹槽两侧，同时观察示波器中Lcr波信号的变化，直到Lcr波信号振幅不再变化，传播声时开始增大时，标记此凹槽深度，即为此频率下Lcr波的传播深度。

将1MHzLcr波在15组不同深度下的平均接收时间统计出来，计算出每组之间的间隔差值，如表1所示，并且将不同深度凹槽下的接收时间差绘成图像，见附图7所示。

表1

通过观察1MHz的Lcr波在不同深度凹槽下的接收时间差值的图像，发现1MHz的Lcr波的接收声时在凹槽深度小于3mm时没有明显变化，从3mm开始随深度的增大随线性增长。因此，1MHz的Lcr波在Q235钢板中的传播深度约为3mm。同理，测出5MHz的Lcr波在Q235钢板中的传播深度约为1mm，2.25MHz的Lcr波在Q235钢板中的传播深度约为2.6mm。因此，中心频率分别为5MHz、2.25MHz、1MHz的Lcr波可检测钢构件深度为1.0mm、2.6mm、3.0mm的应力。

其中，第二步到第四步是在单向绝对应力检测系统上进行的，第二步到第四步的检测已在专利文献1中详述，此处不再赘述。所述单向绝对应力检测系统的组成已在专利文献1中详细说明，此处不再赘述。为检测钢构件绝对应力沿深度分布，需一组中心频率不同的超声波换能器，此处选用中心频率分别为1MHz和5MHz的超声波换能器做详细说明，超声波换能器实物图如附图5所示。

为验证本发明的方法所测U形钢构件绝对应力沿深度分布的检测精度，做如下对比试验和数值模拟进行验证。

设计加载装置，如附图6所示，取U型钢构件作为研究对象，利用千斤顶对其加载，在构件的上下左右四个面共布置了54个应变片，实时观察加载后不同位置的应变数值，加载后做记录。同时采用Abaqus有限元专业软件进行数值模拟，设定构件的边界条件和荷载与实际情况相同，应力云图如附图8所示。1MHz和5MHz的超声波换能器对应的用三种方法测得的应力值以及数值模拟得出的应力深度如表2、表3所示。

表2

表3

从表2和表3可以看到，用本发明测得的应力值和应变片法、数值模拟的结果基本一致。这说明本方法的可靠性和有效性。

本发明方法可广泛应用于所有钢结构构件的绝对应力沿深度分布的无损检测中，测量结果精度较高，整个的检测装置构造简单，安装、携带方便，成本低，易于实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布无损检测方法，其特征在于，所述方法包括：通过标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度和在固定声程上的声弹性系数B，检测不同频率Lcr波在钢构件中传播声时t的改变量，来求解钢构件绝对应力σ沿深度分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钢构件绝对应力是指在役钢构件在当前时刻正在使用状态下的应力，而不是某段时间内应力的改变量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，第一步：标定不同频率Lcr波在钢构件中的传播深度；第二步：标定不同频率Lcr波在固定声程上的声弹性系数B；第三步：测量不同频率Lcr波在在役钢构件中的传播声时t；第四步：在役钢构件绝对应力σ沿深度分布的求解。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法通过硬件平台和软件平台实现，其中，所述硬件平台包括临界折射纵波传播频率和深度对应关系标定系统、自制卡尺探头、单向绝对应力检测系统，所述软件平台用于处理采集到的信号，求出在役钢构件的内部二维绝对应力。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第二步到第四步是在单向绝对应力检测系统上进行的，该过程需用到以下公式：

σ＝B(t₀-t)

其中，σ即为钢构件某深度的绝对应力，单位是MPa；B为应力-声时差系数，单位是MPa/ns；t₀为复制钢构件零应力状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns；t为在役钢构件工作状态下Lcr波在固定声程上的传播声时，单位是ns。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第一步具体为：a.将卡尺探头置于钢构件上，调整超声波换能器的发射角度和接收角度，使发射探头发出的信号进入钢构件后产生特定频率的Lcr波，传播一段距离后被接收探头接收，接收到的Lcr波信号稳定显示于示波器屏幕上；b.采用铣刀在两探头中间的钢构件上制作凹槽，深度由浅到深，在此过程中观察示波器上Lcr波的幅值；发射探头发射的Lcr波传播至凹槽时会受到阻碍，因此接收探头接收到的Lcr波信号幅值会减弱；随着凹槽深度的不断增加，Lcr波幅值不断减小，直到凹槽深度和Lcr波的传播深度相等时，凹槽把Lcr波传播能量全部阻挡，此时Lcr波在示波器上消失；c.记录Lcr波消失时凹槽的深度，该深度即为该频率的Lcr波在钢构件中的传播深度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：Lcr波传播声程的测定需要用到所述自制卡尺探头，所述卡尺探头由超声波换能器和游标卡尺组成，可精确确定Lcr波传播声程。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述单向绝对应力检测系统包括超声波发生装置、超声波换能器、信号放大器、信号采集装置。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钢构件包括以型钢为代表的表面是平面的构件和以钢管为代表的表面是曲面的构件。