CN106908177B - 一种测量各向异性材料平面应力的装置 - Google Patents
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Abstract
一种测量各向异性材料平面应力的装置，涉及一种材料平面应力检测装置。是要解决现有应力检测方法测量精度不高的问题。该装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块、信号发生器、数字示波器和分析处理软件；第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头和第三超声纵波激发探头分别与信号发生器连接；第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头分别与数字示波器连接；信号发生器与数字示波器连接；所述分析处理软件与所述数字示波器连接。该装置基于各向异性三向法，采用临界折射纵波作为检测波源，测量效率高、操作简单，可广泛应用于航空航天、武器制造、车辆等领域中各向异性材料中平面应力的检测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料平面应力检测装置。
背景技术
近年来，随着材料科学的发展进步，大量的先进材料在各个领域得到了广泛应用。然后先进材料往往不同于传统的金属材料，大多是由不同组分结合而成的，这就使得材料呈现出各向异性的性质。
传统用于应力检测的超声方法主要采用一发一收或者自发自收的方式，检测的是超声波传播声程间的平均应力，没有考虑垂直传播方向所受应力对检测信号的影响，也没有考虑材料各向异性对超声波传播的影响，因此测量精度不高，说服力不强。
发明内容
本发明是要解决现有应力检测方法测量精度不高的问题，基于各向异性三向法原理，采用临界折射纵波作为检测波源，辅以信号发生器、数字示波器等模块，提供了一种测量各向异性材料平面应力的装置。
本发明测量各向异性材料平面应力的装置主要包括超声换能器组、超声斜入射楔块、信号发生器、数字示波器和分析处理软件。
所述超声斜入射楔块根据斯涅耳定律设计而成，外形为正八边形，可用检测方向为0°、45°、90°和135°，材质为聚四氟乙烯，斜入射角为34°，可在被测材料内部激发临界折射纵波。
所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头、第三超声纵波激发探头、第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头，六个探头均与超声斜入射楔块固定连接，所述第一超声纵波激发探头和第一超声纵波接收探头处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头和第二超声纵波接收探头处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头和第三超声纵波接收探头处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路。
所述第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头和第三超声纵波激发探头分别与信号发生器通过信号线连接；用于激发任意波形的激励信号，具有多个激励信号输出通道，输出激励信号的同时输出同步信号；
所述第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头分别与数字示波器通过信号线连接；用于采集临界折射纵波波形，具有高采样频率及多个数字通道，通过接受同步信号实现与信号发生器的时间同步；
所述信号发生器与数字示波器连接；
所述分析处理软件与所述数字示波器连接。所述分析处理软件基于所述数字示波器研发，通过读取同步信号与临界折射纵波波形，可分析得到纵波的传播声时与声时差。
进一步的，所述超声斜入射楔块的材质为聚四氟乙烯。
进一步的，所述超声斜入射楔块的中心镶嵌钕铁硼磁铁，用于将楔块固定在待测材料表面。
进一步的，所述六个探头与超声斜入射楔块的固定连接方式为螺纹连接。
进一步的，为得到沿被测材料次表面传播的临界折射纵波，需先根据斯涅耳定律设计斜入射楔块，设计内容包括楔块材料、入射角度和传播声程。
所述超声斜入射楔块斜入射角的确定方法具体为：
一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料，沿待测材料测量与纤维方向呈0-90°的方向纵波的传播速度，即为待测材料的声速VL2；
二、根据斯涅耳定律及步骤一测得的纵波的传播速度，按照公式VL1sinθ2＝VL2sinθ1，令θ2＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角θ1＝arcsin(VL1/VL2)，使其能够激发临界折射纵波；
其中VL1为斜入射楔块的声速，VL2为待测材料的声速，θ1为斜入射楔块的入射角、θ2为待测材料的临界折射角。
本发明的工作原理是：
超声波在固体中的传播速度与其所受应力具有线性关系。然而对于各向异性材料，超声波的传播规律不仅与受力状态有关，还与材料本身的各向异性取向方向有关。传统超声检测方法没有考虑材料本身各向异性的影响，这样势必会造成不可忽视的测量误差。本发明装置工作原理在传统原理基础上，引入影响超声波传播的各向异性声应力系数，得到检测信号声时差与材料所受应力间的关系，如下式，
B＝K1σ1+K2σ2
K1＝m1(cos2θ+cos2ω)+m2+m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ω
K2＝-m1(cos2θ-cos2ω)+m2-m3cos2θcos2ω-m4sin2θsin2ω
其中B为临界折射纵波在材料中传播的声时差，ω为检测方向与材料主方向的夹角，m1、m2、m3、m4为各向异性声应力系数，σ1为被测材料所受的第一主应力、σ2为被测材料所受的第二主应力、θ为第一主应力σ1与材料主方向的夹角。
式中各向异性声应力系数与材料特性有关，需要选取待测材料无应力试块进行单向拉伸实验来标定。根据本发明装置标定完善的声时差-应力关系式，以及本发明装置测量得到的所需方向的声时差信号，即可计算得到被测材料所受应力状态。
本发明的有益效果：
本发明装置考虑到了材料的不均匀性、织构取向性等各向异性，本装置可适用于各向异性复合材料平面应力的检测，具有测量效率高、精度高、操作简便、安全可靠的优点。
附图说明
图1为本发明测量各向异性材料平面应力的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一设计的测量复合材料层合板不同方向声速的试样；
图3为本发明实施例一实际检测示意图；
图4为本发明方法实施例中所用十字双向拉伸试样尺寸示意图；
图5为试验三中待测材料单向拉伸标定实验示意图；
图6为试验三中待测材料平面应力检测示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式测量各向异性材料平面应力的装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块2、信号发生器3、数字示波器4和分析处理软件5；
所述超声斜入射楔块2的形状为正八边形，斜入射角为34°，
所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12、第三超声纵波激发探头13、第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16，六个探头均与超声斜入射楔块2固定连接，所述第一超声纵波激发探头11和第一超声纵波接收探头14处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头12和第二超声纵波接收探头15处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头13和第三超声纵波接收探头16处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；
所述第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12和第三超声纵波激发探头13分别与信号发生器3通过信号线连接；
所述第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16分别与数字示波器4通过信号线连接；
所述信号发生器3与数字示波器4连接，实现信号同步；
所述分析处理软件5与所述数字示波器4连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述超声斜入射楔块2的材质为聚四氟乙烯。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述超声斜入射楔块2的中心镶嵌钕铁硼磁铁7。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述超声斜入射楔块斜入射角的确定方法具体为：
一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料，沿待测材料测量与纤维方向呈0-90°的方向纵波的传播速度，即为待测材料的声速VL2；
二、根据斯涅耳定律及步骤一测得的纵波的传播速度，按照公式VL1sinθ2＝VL2sinθ1，令θ2＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角θ1＝arcsin(VL1/VL2)，使其能够激发临界折射纵波；
其中VL1为斜入射楔块的声速，VL2为待测材料的声速，θ1为斜入射楔块的入射角、θ2为待测材料的临界折射角。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：六个探头与超声斜入射楔块2的固定连接方式为螺纹连接。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式利用测量各向异性材料平面应力的装置进行平面应力检测的方法为：
一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料；
二、将超声斜入射楔块置于待测材料表面，并使用钕铁硼磁铁磁力固定，为降低超声波的衰减，在楔块与材料接触面处均匀涂抹液体耦合剂。设计4组单向拉伸标定实验，选择4组标定方向，对待测材料进行单向拉伸，利用测量各向异性材料平面应力的装置，测量每组在单向拉伸荷载下的声时差，代入以下公式中，分别得到4组声时差-应力曲线；
B＝K1σ1+K2σ2，
其中K1＝m1(cos2θ+cos2ω)+m2+m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ω，
K2＝-m1(cos2θ-cos2ω)+m2-m3cos2θcos2ω-m4sin2θsin2ω，
B为检测信号声时差，σ1为被测材料所受的第一主应力、σ2为被测材料所受的第二主应力、m1、m2、m3和m4分别为声应力系数，θ为第一主应力σ1与材料主方向的夹角，ω为检测方向与材料主方向的夹角；
三、对步骤二中的声时差-应力曲线进行线性拟合，分别得到四组声应力系数组合表达式及数值；
Bi＝ki(m1,m2,m3,m4)σ,i＝1,2,3,4
其中Bi为每组单向标定实验测得的声时差、ki为每组声时差-应力曲线线性拟合系数(斜率)、σ为单向拉伸应力载荷；
四、联立四组表达式，求解声应力系数m1、m2、m3和m4，再代入步骤二的公式中，即可得到各向异性材料中声时差信号与平面主应力的关系式；
五、另准备与步骤一所述材料相同材质的复合材料层合板作为待测材料，使用本发明装置进行待测材料在平面应力状态下的测量。同样地，将超声斜入射楔块通过磁铁固定在涂抹有液体耦合剂的待测材料表面，分别记录下0°、45°和90°三个方向的临界折射纵波声时差，代入步骤四得到的关系式，将得到对三组关系式联立，即可求得平面主应力大小σ1、σ2和方向θ。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一：
如图1所示，本实施例测量各向异性材料平面应力的装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块2、信号发生器3、数字示波器4和分析处理软件5；
所述超声斜入射楔块2的形状为正八边形，斜入射角为34°，所述超声斜入射楔块2的材质为聚四氟乙烯，所述超声斜入射楔块2的中心镶嵌钕铁硼磁铁；
所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12、第三超声纵波激发探头13、第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16，六个探头均与超声斜入射楔块2螺纹连接，所述第一超声纵波激发探头11和第一超声纵波接收探头14处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头12和第二超声纵波接收探头15处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头13和第三超声纵波接收探头16处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；
所述第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12和第三超声纵波激发探头13分别与信号发生器3通过信号线连接；
所述第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16分别与数字示波器4通过信号线连接；
所述信号发生器3与数字示波器4连接，实现信号同步；
所述分析处理软件5与所述数字示波器4连接。
利用本装置进行以下试验：
试验一：
待检测材料为碳纤维增强树脂基复合材料，碳纤维型号为T700，树脂型号为BA9916，设计十字双向拉伸试样，取样时纤维方向与F1夹角为θ＝0°，试样尺寸如图4所示。两个方向载荷为F1，F2，分别以1:1、2:1、3:1和4:1比例进行双向加载。十字拉伸试样中心区域的平面应力状态测量过程如下：
(1)使用待测材料制备如图2所示声速检测试样，使用一发一收双探头模式分别测量0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七个方向的声速，数据列于表1；
(2)根据斯涅耳定律及测得的纵波速度，计算临界折射角，设计斜入射楔块，使其能够激发临界折射纵波，如下表所示：
表1被测材料不同方向声速及楔块设计
(3)设计4组单向拉伸标定实验，选择4组标定方向，对待测材料进行单向拉伸，利用测量各向异性材料平面应力的装置，测量每组在单向拉伸荷载下的声时差，代入以下公式中，分别得到4组声时差-应力曲线；
B＝K1σ1+K2σ2，
其中K1＝m1(cos2θ+cos2ω)+m2+m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ω，
K2＝-m1(cos2θ-cos2ω)+m2-m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ω，
B为检测信号声时差，σ1为被测材料所受的第一主应力、σ2为被测材料所受的第二主应力、m1、m2、m3和m4分别为声应力系数，θ为第一主应力σ1与材料主方向的夹角，ω为检测方向与材料主方向的夹角。
测量各向异性材料平面应力的装置的结构示意图如图5所示，标定方向如表2所示；利用测量各向异性材料平面应力的装置，测量声时差的方法为：将装置中的超声斜入射楔块2置于待测材料表面，并使用钕铁硼磁铁将超声斜入射楔块2磁力固定，在超声斜入射楔块2与材料接触面处均匀涂抹液体耦合剂。
(4)对声时差-应力曲线进行线性拟合，分别得到四组声应力系数组合表达式及数值，如表2所示；
(5)联立四组表达式，求解声应力系数m1,m2,m3,m4，即可得到各向异性材料中声时差信号与平面主应力的关系式B＝K1σ1+K2σ2；
表2声应力系数的标定及计算
(6)待检测试样尺寸如图4所示，十字双向拉伸，两个方向载荷为F1，F2，纤维方向与F1夹角为θ＝0°，分别以1:1、2:1、3:1和4:1比例进行双向加载。
需沿与材料主方向(通常为纤维方向)呈ω1、ω2、ω3角的三个不同方向进行测量，分别得到相应的声时差。如图3所示，分别检测沿被测材料表面三个不同方向ω1＝0°、ω2＝90°、ω3＝45°对应的声时差值B1、B2、B3，代入公式B＝K1σ1+K2σ2并联立，即可求得平面主应力大小σ1、σ2和方向θ，结果列于下表。
表3复合材料平面应力检测结果
试验二：
待检测材料与试验一相同，取样时纤维方向与F1夹角为θ＝30°，试样尺寸同样如图4所示。同样地，分别以1:1、2:1、3:1和4:1比例进行双向加载。操作步骤与试验一相同。分别检测沿被测材料表面三个不同方向ω1＝0°、ω2＝90°、ω3＝45°对应的声时差值B1、B2、B3，代入公式B＝K1σ1+K2σ2并联立，即可求得平面主应力大小σ1、σ2和方向θ，结果列于下表。
表4复合材料平面应力检测结果
试验三：
待测材料为碳纤维树脂基复合材料，碳纤维型号为T700，树脂型号为BA9916，采用单向纤维铺层。测试前，首先准备待测材料无应力标定试样，分别沿纤维θ＝0°和45°方向制备单向拉伸试样，每个拉伸试样进行0°和90°方向声时差的检测，画好检测区域定位线。使用本实施例装置测量碳纤维树脂基复合材料的过程如下：
使用本发明装置进行待测材料无应力试块的单向拉伸标定实验，标定示意图如图5所示。将超声斜入射楔块2置于标定试块表面，并使用钕铁硼磁铁7固定，为降低超声波的衰减，在楔块与材料接触面处均匀涂抹液体耦合剂。使用万能力学试验机对单向拉伸标定试样进行阶梯加载，0°试样以3KN为增量加载，45°试样以0.5KN为增量加载，每个加载阶梯保持10s用来进行声时差测量。分别记录下单向拉伸载荷下超声临界折射纵波在标定试样中的传播声时差，如表5所示。经分析处理得到各向异性声应力系数如式(2)所示，代入式(1)可得到完善的声时差-应力关系；
表5单向拉伸标定实验检测结果
使用本发明装置进行待测材料在平面应力状态下的测量实验，检测示意图如图6所示，被测材料承受了未知的双向拉伸载荷σ1、σ2。同样地，将超声斜入射楔块通过磁铁固定在涂抹有液体耦合剂的待测材料表面，分别使用数字示波器4记录下ω＝0°、45°和90°三个方向的临界折射纵波声时差，代入经标定实验完善后的式(1)并联立求解，即可得到被测材料检测区域的应力状态。
表6碳纤维树脂基复合材料平面应力检测结果
由表6可知，被测材料所承受主应力为σ1＝11.5MPa、σ2＝9.5MPa，主应力σ1与纤维铺设方向夹角为-28.6°。
Claims (4)
1.一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于该装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块(2)、信号发生器(3)、数字示波器(4)和分析处理软件(5)；
所述超声斜入射楔块(2)的形状为正八边形，斜入射角为34°；
所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)、第三超声纵波激发探头(13)、第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)，六个探头均与超声斜入射楔块(2)固定连接，所述第一超声纵波激发探头(11)和第一超声纵波接收探头(14)处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头(12)和第二超声纵波接收探头(15)处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头(13)和第三超声纵波接收探头(16)处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；
所述第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)和第三超声纵波激发探头(13)分别与信号发生器(3)通过信号线连接；
所述第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)分别与数字示波器(4)通过信号线连接；
所述信号发生器(3)与数字示波器(4)连接，实现信号同步；
所述分析处理软件(5)与所述数字示波器(4)连接；
所述超声斜入射楔块斜入射角的确定方法具体为：
一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料，沿待测材料测量与纤维方向呈0-90°的方向纵波的传播速度，即为待测材料的声速VL2；
二、根据斯涅耳定律及步骤一测得的纵波的传播速度，按照公式VL1sinθ2＝VL2sinθ1，令θ2＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角θ1＝arcsin(VL1/VL2)；
其中VL1为斜入射楔块的声速，VL2为待测材料的声速，θ1为斜入射楔块的入射角、θ2为待测材料的临界折射角；
所述装置引入影响超声波传播的各向异性声应力系数，得到检测信号声时差与材料所受应力间的关系式，
B＝K1σ1+K2σ2
K1＝m1(cos2θ+cos2ω)+m2+m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ω
K2＝-m1(cos2θ-cos2ω)+m2-m3cos2θcos2ω-m4sin2θsin2ω
其中B为临界折射纵波在材料中传播的声时差，ω为检测方向与材料主方向的夹角，m1、m2、m3、m4为各向异性声应力系数，σ1为被测材料所受的第一主应力、σ2为被测材料所受的第二主应力、θ为第一主应力σ1与材料主方向的夹角；
式中各向异性声应力系数与材料特性有关，需要选取待测材料无应力试块进行单向拉伸实验来标定。
2.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述超声斜入射楔块(2)的材质为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述超声斜入射楔块(2)的中心镶嵌钕铁硼磁铁(7)。
4.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述六个探头与超声斜入射楔块(2)的固定连接方式为螺纹连接。
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