CN111208014A - 一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置及方法。包括移动调节装置、超声波发射探头、超声波接收探头；移动调节装置包括原位拉伸底座和滑轨滑块、滑动装置，滑轨滑块通过滑动装置相对于原位拉伸底座滑动，原位拉伸底座和滑轨滑块的顶部分别设置一个夹具；超声波发射探头、超声波接收探头分别位于移动调节装置的上方，超声波发射探头、超声波接收探头分别位于第一竖杆、第二竖杆的底部，两个竖杆之间距离可调。通过超声波的波速计算得到损伤值，克服传统损伤测试方法只能在材料变形后测量损伤变量的弊端，能更真实的反映材料内部损伤状况。
Description
技术领域
本发明属于聚合物测试、实验力学和超声波无损检测技术领域，具体涉及一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
损伤力学通过损伤变量表征损伤，以损伤演化方程描述材料损伤演化进程，虽然损伤力学发展至今已有半个多世纪的历史，但目前还在处于发展完善阶段，对材料，特别是高分子材料的损伤机制的认识尚存在较大不足，对影响损伤演化的因素尚未完全明晰，因此对损伤演化的研究也仍在继续。
原位测试技术的应用对材料学的发展起到了至关重要的推动作用，国际上对原位测试装置的发展研究也一直保持着比较良好的态势。原位测试可以对载荷作用下材料的变形损伤进行全程动态监测的，可以对材料的弹性模量等重要力学参数进行测量。现有的原位测试方法和装置主要有用于岩土工程的孔压静力触探测试技术、原位纳米力学测试系统等。
超声波检测广泛应用于工业无损检测中，但目前超声波检测主要用于金属、岩石等传统材料的损伤检测，较少用于高分子材料。另外，超声波检测中信号发射探头和信号接收探头的对中效果对测试结果影响很大，传统测试方法基本靠肉眼观察，很难保证测试结果的准确性。再者，传统超声检测方法需要精确测量发射探头和接收探头之间的距离，或者需要精确测量被测试样的厚度等参数，增加了测试难度和不稳定性。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置及方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，包括移动调节装置、超声波发射探头、超声波接收探头；
移动调节装置包括原位拉伸底座和滑轨滑块装置、滑动装置，滑轨滑块通过滑动装置相对于原位拉伸底座滑动，原位拉伸底座和滑轨滑块装置的顶部分别设置一个夹具；
超声波发射探头、超声波接收探头分别位于移动调节装置的上方，超声波发射探头、超声波接收探头分别位于第一竖杆、第二竖杆的底部，两个竖杆之间距离可调。
现有的超声损伤测试装置均是用于金属、岩石等传统材料的检测，而高分子材料具有与金属岩石等传统材料不一样的硬度和拉伸特性，即受到外加的测试力时，利用现有的测试方法无法得到高分子材料的损伤情况。本发明中利用试样被滑轨滑块拉伸，试样在拉伸的条件下可以精确的测量损伤值。
传统的超声检测方法需要精确测量发射探头和接收探头之间的距离，或者需要精确测量被测试样的厚度等参数，增加了测试难度和不稳定性。本发明中利用两个竖杆固定两个探头，当两个竖杆距离调整时，可以使两个探头之间距离进行调整，进而进行不同距离的测试。解决了现有的探头不易对中或对齐引起的测量误差的问题。
作为本发明的一些实施方式，滑轨滑块装置包括两个滑轨滑块和丝杠螺母座，丝杠螺母座的顶部两侧通过滑块连接片与两个滑轨上的滑轨滑块相连。
作为本发明的一些实施方式，原位拉伸底座为L型结构，滑动装置包括固定支座、滚珠丝杠、滑块连接片、丝杠螺母座、可调支座、两个滑轨，滚珠丝杆的两端分别与固定支座、可调支座连接，两个滑轨滑块分别落在两个滑轨上，滚珠丝杠穿过丝杠螺母座，一个夹具设置在原位拉伸底座一侧竖直结构的顶部，另一个夹具设置在滑动装置设置在原位拉伸底座的水平结构的顶部，固定支座与原位拉伸底座的侧面固定连接，所述侧面与滑轨滑块相对。
原位拉伸底座固定在底板上，是固定不动的，滑轨滑块相对于原位拉伸底座的L型竖直部分进行移动，可调支座对滚珠丝杠提供转动的动力，滚珠丝杠转动时带动滑轨滑块进行直线运动，实现了对试样进行拉伸的测试。
作为本发明的一些实施方式，夹具为夹持板，夹持板由上夹持板和下夹持板组成，两个下夹持板分别固定在固定支座和丝杠螺母座的顶部，上夹持板通过螺栓与下夹持板固定连接。本发明中通过夹持板对试样进行拉伸，能够测量高分子材料试样在拉伸或损伤的过程中的损伤情况，传统方法只是在材料变形后测量损伤，能够更真实的反映材料内部的损伤情况。
作为本发明的一些实施方式，所述高分子材料损伤原位测试装置包括支撑装置，支撑装置包括底板以及底板两侧的左侧板、右侧板，左侧板、右侧板的底部分别与底板的两个侧边固定连接，底板上设置原位拉伸底座。
作为本发明的一些实施方式，支撑装置的顶部设置超声探头调节装置，包括第一丝杆、第二丝杆、第一滑块、第二滑块，第一丝杆和第二丝杆的两端分别与左侧板、右侧板固定连接，第一滑块、第二滑块分别同时穿过第一丝杆和第二丝杆，第一竖杆和第二竖杆分别竖直穿过第一滑块、第二滑块。
进一步的，第一丝杆伸出左侧板的一端与第一摇轮固定连接，第二丝杆伸出右侧板的一端与第二摇轮固定连接。
进一步的，支撑装置包括第一横杆、第二横杆，第一横杆和第二横杆的两端与左侧板、右侧板固定连接，第一横杆和第二横杆分别位于两个丝杆的外侧，第一横杆和第二横杆分别穿过第一滑块、第二滑块。
高分子材料试样的上方设置支撑装置用于支撑两个竖杆和调节两个竖杆之间的距离。
一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试方法，具体步骤为：
1)利用两个夹持板分别固定试样的两端，通过滚珠丝杠调整滑轨滑块的位置；
2)向下移动第一竖杆，将超声波发射探头落在试样上，调节第二滑块与第一滑块挤靠在一起，使第二竖杆向下移动，将超声波接收探头落在试样上；
3)驱动滚珠丝杠，使滑轨滑块相对于固定支座移动设定距离后停止，超声波接收探头相对与超声波发射探头移动设定距离，记录超声波信号。
4)通过位移与时间的关系曲线得到拟合直线的斜率，得到损伤前后的超声波的波速，通过超声波的波速计算得到试样的损伤值。
在一些实施例中，超声波波速的计算公式为：
式中E为没有损伤材料的弹性模量，ρ为没有损伤材料的密度，ν为材料的泊松比。
在一些实施例中，损伤值的计算公式为：
式中νLD为损伤后的超声波波速，νL0为没有损伤的超声波波速。
上述没有损伤是指拉伸试样之前。
本发明的原位测试方法，通过损伤前后的超声波波速得到损伤值。传统方法一般是卸载后测量损伤，这样损伤已经恢复了一部分，不能表示真实损伤。
本发明的有益效果：
1、本发明测试误差小、可重复性好。本发明克服了传统超声波检测信号发射探头和接受探头不易对中、不易对齐的问题，避免了因探头不对中引起的测试误差，大大提高了测试结果的可重复性，同时节省了超声波探头安装时间，简化了测试流程，提高了测试效率；
2、本发明测试流程简单、成本低。本发明不要额外测量超声波发射探头与接收探头之间的距离，通过简易的铝合金支架、光滑圆杆等简单结构的组合快速、准确定位超声波探头位置，提高测试结果准确度、节省测试时间及测试成本。
3、本发明采用超声波定量测试高分子材料变形过程中的损伤变量，克服传统损伤测试方法只能在材料变形后测量损伤变量的弊端，能更真实的反映材料内部损伤状况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的超声波的高分子材料损伤原位测试装置；
图2为本发明的移动滑块部分的立体结构图；
图3为本发明实施例1的位移时间点拟合直线图；
其中，101、底板，102、左侧板，103、右侧板，104、第一竖杆，105、第一滑块，106、第一横杆，107、第一丝杆，108、第一摇轮，109、第二竖杆，110、第二滑块，111、第二丝杆，112、第二横杆，113、第二摇轮，114、超声波发射探头，115、超声波接收探头，201、原位拉伸底座，201、滑轨，202、滑轨，203、夹持板，204、固定支座，205、滑轨滑块，206、可动支座，207、滚珠丝杠，208、滑块连接片，209、丝杠螺母座，301、试样。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
测试装置包括组成支架的铝合金底板101、左侧板102和右侧板103，第一竖杆104，第一滑块105，第一横杆106，第一丝杠107，第一摇轮108，第二竖杆109，第二滑块110，第二丝杠111，第二横杆112，第二摇轮113，超声波发射探头114，超声波接收探头115，原位拉伸底座201，滑轨202，夹持板203，固定支座204，滑轨滑块205，可动支座206，滚珠丝杠207，滑块连接片208，丝杠螺母座209和被测高分子试样301。本实例以常见的高分子材料-聚乙烯为例，采用超声波定量测试聚乙烯试样的损伤变量。
丝杠螺母座209的顶部两侧通过滑块连接片208与两个滑轨上的滑轨滑块205相连。
两个滑轨滑块205分别落在滑轨201和滑轨202上，滚珠丝杠207穿过丝杠螺母座209，一个夹具设置在原位拉伸底座201一侧竖直结构的顶部，另一个夹具设置在滑动装置设置在原位拉伸底座201的水平结构的顶部，固定支座204与原位拉伸底座201的侧面固定连接，所述侧面与滑轨滑块装置相对。夹具为夹持板203。
第一丝杆107和第二丝杆111的两端分别与左侧板102、右侧板103固定连接，第一滑块105、第二滑块110分别同时穿过第一丝杆107和第二丝杆111，第一竖杆104和第二竖杆109分别竖直穿过第一滑块105、第二滑块110。
第一丝杆107伸出左侧板102的一端与第一摇轮108固定连接，第二丝杆111伸出右侧板103的一端与第二摇轮113固定连接。支撑装置包括第一横杆106、第二横杆112，第一横杆106和第二横杆112的两端与左侧板102、右侧板103固定连接，第一横杆106和第二横杆112分别位于两个丝杆的外侧，第一横杆106和第二横杆112分别穿过第一滑块105、第二滑块110。
第二摇轮113控制第二滑块110的移动，第一摇轮108控制第一滑块105的移动。
实施例2测试过程
首先采用试样夹持板203将聚乙烯试样301固定，通过向下移动第一竖杆104将超声波发射探头114固定到试样301上，发射探头和试样301之间涂抹适量耦合剂以提高声波传播效率。调节第二摇轮113使第二滑块110向左移动与第一滑块105靠在一起，通过向下移动第二竖杆109将超声波接收探头115固定到试样301上，接收探头和试样301之间涂抹适量耦合剂。通过伺服电机控制滚珠丝杠207以恒定速度1mm/min拉伸试样301至位移达到1mm停止，开始记录超声波信号。此时第二滑块110与第一滑块105靠在一起，记录第一个数据，即超声波从超声波发射探头114到超声波接收探头115所需的时间t1。固定超声波发射探头114不动，转动第二滑轮113一圈，对应超声波接收探头115向右移动0.5mm，记录第二个数据t2。固定超声波发射探头13不动，每转动第二滑轮12一圈，记录一个数据，共记录5个数据，分别为t1，t2，t3，t4和t5。t1对应位移为0，t2对应位移0.5mm，t3对应位移1mm，t4对应位移1.5mm，t5对应位移2mm。将上述5个位移-时间点作图并用直线拟合(如图3所示)，拟合直线的斜率即聚乙烯试样变形1mm时的超声波波速，为2205.86m/s。
调节第二摇轮113使第二滑块110向左移动与第一滑块105靠在一起。启动电机控制滚珠丝杠207以恒定速度1mm/min拉伸试样301至位移达到2mm停止。采用上述方法得到聚乙烯试样在变形2mm时的5个超声波数据点，通过直线拟合得到超声波波速为1937.149m/s。采用同样方法可以此次得到聚乙烯试样变形3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm和10mm时的超声波波速分别为：1840.298m/s、1672.159m/s、1530.17m/s、1486.863m/s、1460.262m/s、1403.691m/s、1340.849m/s和1274.914m/s。
未经过拉伸的聚乙烯试样的超声波波速为2286.129m/s。根据连续介质损伤力学理论，没有损伤材料中的超声波波速可以通过下式计算
式中E0为没有损伤材料的弹性模量，ρ0为没有损伤材料的密度，ν为材料的泊松比。有损伤材料的超声波波速为
根据损伤力学，材料的损伤值可以通过下式计算
对本例中的聚乙烯材料，试样1的损伤值为
采用同样的方法可以测得聚乙烯试样变形2-10mm的损伤值分别为0.282，0.352，0.465，0.552，0.557，0.592，0.623，0.656，0.689。据此可以建立聚乙烯材料整个变形过程的损伤演化方程，揭示聚乙烯材料的变形损伤机理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：包括移动调节装置、超声波发射探头、超声波接收探头；
移动调节装置包括原位拉伸底座和滑轨滑块装置、滑动装置，滑轨滑块通过滑动装置相对于原位拉伸底座滑动，原位拉伸底座和滑轨滑块装置的顶部分别设置一个夹具；
超声波发射探头、超声波接收探头分别位于移动调节装置的上方，超声波发射探头、超声波接收探头分别位于第一竖杆、第二竖杆的底部，两个竖杆之间距离可调。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：滑轨滑块装置包括两个滑轨滑块和丝杠螺母座，丝杠螺母座的顶部两侧通过滑块连接片与两个滑轨上的滑轨滑块相连。
优选的，原位拉伸底座为L型结构，滑动装置包括固定支座、滚珠丝杠、滑块连接片、丝杠螺母座、可调支座、两个滑轨，滚珠丝杆的两端分别与固定支座、可调支座连接，两个滑轨滑块分别落在两个滑轨上，滚珠丝杠穿过丝杠螺母座，一个夹具设置在原位拉伸底座一侧竖直结构的顶部，另一个夹具设置在滑动装置设置在原位拉伸底座的水平结构的顶部，固定支座与原位拉伸底座的侧面固定连接，所述侧面与滑轨滑块相对。
3.根据权利要求1所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：夹具为夹持板，夹持板由上夹持板和下夹持板组成，两个下夹持板分别固定在固定支座和滑轨滑块装置的顶部，上夹持板通过螺栓与下夹持板固定连接。
4.根据权利要求1所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：所述高分子材料损伤原位测试装置包括支撑装置，支撑装置包括底板以及底板两侧的左侧板、右侧板，左侧板、右侧板的底部分别与底板的两个侧边固定连接，底板上设置原位拉伸底座。
5.根据权利要求1所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：支撑装置的顶部设置超声探头调节装置，包括第一丝杆、第二丝杆、第一滑块、第二滑块，第一丝杆和第二丝杆的两端分别与左侧板、右侧板固定连接，第一滑块、第二滑块分别同时穿过第一丝杆和第二丝杆，第一竖杆和第二竖杆分别竖直穿过第一滑块、第二滑块。
6.根据权利要求5所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：第一丝杆伸出左侧板的一端与第一摇轮固定连接，第二丝杆伸出右侧板的一端与第二摇轮固定连接。
7.根据权利要求5所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置，其特征在于：支撑装置包括第一横杆、第二横杆，第一横杆和第二横杆的两端与左侧板、右侧板固定连接，第一横杆和第二横杆分别位于两个丝杆的外侧，第一横杆和第二横杆分别穿过第一滑块、第二滑块。
8.利用权利要求1-7任一所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置的测试方法，其特征在于：具体步骤为：
1)利用两个夹持板分别固定试样的两端，通过滚珠丝杠调整滑轨滑块的位置；
2)向下移动第一竖杆，将超声波发射探头落在试样上，调节第二滑块与第一滑块挤靠在一起，使第二竖杆向下移动，将超声波接收探头落在试样上；
3)驱动滚珠丝杠，使滑轨滑块相对于固定支座移动设定距离后停止，超声波接收探头相对与超声波发射探头移动设定距离，记录超声波信号。
4)通过位移与时间的关系曲线得到拟合直线的斜率，得到损伤前后的超声波的波速，通过超声波的波速计算得到试样的损伤值。
9.根据权利要求8所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置的测试方法，其特征在于：超声波波速的计算公式为：
式中E为没有损伤材料的弹性模量，ρ为没有损伤材料的密度，ν为材料的泊松比。
10.根据权利要求8所述的基于超声波的高分子材料损伤原位测试装置的测试方法，其特征在于：损伤值的计算公式为：
式中νLD为损伤后的超声波波速，νL0为没有损伤的超声波波速。
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