CN112304741B - 基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置及方法，在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成斜折链的球体链，顶部设有一个电磁铁，光滑管道中设有连接信号采集装置的传感器，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片进行封底，被测材料置于薄铝片侧部。通过对球体链端部的电磁铁加电断电，光滑管道最顶部的钢球被吸起落下，撞击球体链产生孤立波和反射波；利用相对位移与杨氏模量的关系，得到折链高度非线性孤立波的杨氏模量。本发明解决了现有孤立波测试材料杨氏模量技术不能在水平方向进行弹性模量测试问题。
Description
技术领域
本发明涉及弹性材料杨氏模量的测试方法，特别是一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置及方法。
背景技术
杨氏弹性模量(简称杨氏模量)是弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质，标志了材料的刚性。杨氏模量是工程技术设计中常用的参数，也是选定机械零件材料的重要依据之一。杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、桥梁、公路等各种材料的力学性质有着重要意义，广泛应用于机械零部件设计、生物力学、建筑强度检测、地质等领域。在日常生活中，杨氏模量测量的应用非常广泛，如工人需要定时检测桥梁结构的刚性、公路路面的刚性，以保证行驶车辆的安全；医学中各重金属材料的应用也越来越多(如钛合金材料、仿生手臂等)，也需要监测金属材料的杨氏模量，确保在人体内的正常运行；在飞机安全检测中，工作人员需要时刻检测机体各个部分材料的刚性，以确保飞机能够安全飞行。因此，杨氏模量的测量在人们生活的各个方面都有重要的意义。
材料杨氏模量的测定在许多工程领域有着重要应用，常用的方法包括有损检测和无损检测两种。其中，无损检测技术以其不损害检测对象使用性能、不伤害被检测对象内部组织的优点得到了广泛应用。在众多无损检测方法中，超声检测占有重要地位，具有被测对象范围广，检测深度大；检测缺陷时定位准确，检测灵敏度高；对人体无害以及便于现场使用等特点。常用来检测材料杨氏模量的方法称为超声脉冲速度检测，通过测量超声脉冲在被测材料中传播速度，来确定材料杨氏模量。但是超声脉冲速度检测方法的仪器成本高，超声脉冲在介质中传播时衰减大、容易发生折反射现象，测量时需要已知被测对象的深度。
现有技术是利用竖直链对被测材料的杨氏模量进行检测，因此只能在竖直方向上对材料进行检测，而不能在横向上进行测量杨氏模量，对于一些已经被固定的部件(不能从竖直方向上进行测量的情形)并且还需要知道其杨氏模量的情况下，就显得很有局限性。如果采用水平链，就需要引入一定的预压力(没有预压力球体之间容易脱节，不便测量)，这种情况下会增加仪器的复杂性和成本，水平链一般利用PZT的活塞运动方法能在短时间内产生足够多的孤立波信号，但是由此产生的扰动力幅值低，生成的孤立波信号的信噪比较低。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种有一定初始预压力，并且能在横向上进行测量的球体链结构的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，该方法解决了现有孤立波测试材料杨氏模量技术不能在水平方向进行弹性模量测试问题。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，包括电磁铁、光滑管道、钢球、细导线、传感器、薄铝片和信号采集装置；在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成球体链，球体链成钝角状斜折链结构，在光滑管道的顶部设有一个电磁铁，在水平面光滑管道中设有传感器，传感器连接信号采集装置，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片进行封底，被测材料置于薄铝片侧部。
作为优选，所述传感器包括钢柱、PZT薄片和细导线；两个钢柱分别通过绝缘双面胶带把两个钢柱分别连接于PZT薄片两侧，PZT薄片连接两根细导线连接至信号采集装置。
作为优选，所述薄铝片正中间打有一个5mm直径的孔。
进一步，本发明给出了所述装置的折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，包括以下步骤：
1)对球体链端部的电磁铁加电，光滑管道最顶部的钢球被吸起；
2)对电磁铁断电，无磁性控制，被吸起第一颗球体下落，沿着光滑管道运动，以一定的初速度撞击球体链产生孤立波；
3)孤立波沿球体链传播至传感器，球体链对传感器左侧钢柱产生压力，压力传播到PZT薄片上，信号采集装置采集产生的信号；
4)孤立波经由传感器之后继续传播至光滑管道底端产生反射波；反射波沿球体链往回传播，再次经过传感器时，再次采集一次信号传输至信号采集装置；
5)重复步骤1)～4)，信号采集装置将获取的若干次孤立波和反射波信号，利用钢球与钢球、钢球与钢柱、钢球与被测材料之间的相对位移与杨氏模量的关系，利用MATLAB解算出被测材料杨氏模量，得出被测材料杨氏模量与时间差的关系，从而得到折链高度非线性孤立波的杨氏模量。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明基于高度非线性孤立波能够在折链中传播的性质，以及孤立波与不同材料接触并相互作用时，波的某些特性(如波速与幅值)与被接触的材料的杨氏模量大小紧密相关，基于这两点，提出了利用折链孤立波的方法来测量不同材料的杨氏模量值，并设计了基于折链孤立波原理的换能器。
(1)基于孤立波的检测方法相比于其他的测量方法有以下优势：孤立波方法在测量目标样本时，材料样本表面产生的弹性形变处于其弹性区间内，因此不损坏被测样本的结构与功能；换能器中传播的孤立波对被测材料的杨氏模量高度敏感，当被测材料的杨氏模量改变时，孤立波的特性参数值的变化明显，颗粒链与材料相互接触时，受样本内部结构均匀性的影响相对于超声脉冲速度方法而言较小；孤立波换能器对测量对象的形状或尺寸无特殊要求，仅需测量面平坦，因此测量对象更加广泛；换能器尺寸便于携带，测量系统简单，且相对于其他传统方法成本较低。
(2)折链孤立波测试方法与竖直链孤立波测试方法相比，解决了竖直链方法不能在横向上测量的问题，而且具有比竖直链更加广泛的应用环境。而且折链的设备不用额外的添加预压力，使得设备制造更加方便，结构简单，节省成本。折链也不会影响孤立波传播的波形，因此不会影响测量的精确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为不通电状态下折链装置图；
图2为传感器装置图；
图3为通电状态下折链装置图；
图4为时间差与底端杨氏模量关系图；
图5为第16颗球ABAQUS仿真与MATLAB对比图；
图中：1、电磁铁；2、光滑管道；3、钢球；4、细电线；5、传感器；6、薄铝片；7、信号采集装置；8、钢柱；9、PZT薄片材料；10、绝缘双面胶带；11、被测材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，本发明是基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测量装置，包括电磁铁1、光滑管道2、钢球3、细导线4、传感器5、薄铝片6和信号采集装置7；其中，在光滑管道2的中部放置有24个钢球3组成球体链，球体链成钝角状斜折链结构，在光滑管道2的顶部设有一个电磁铁1，在水平面光滑管道2中设有传感器5，和连接传感器5的信号采集装置7，在光滑管道2的水平面端部设有一个在光滑管道上的薄铝片6进行封底，并在薄铝片6正中间打一个5mm直径的孔，使球体与被测材料接触并防止球体掉出以及不影响孤立波的传播，被测材料置于薄铝片侧部。
在一个实施例中，传感器5设于管道钝角方向的第15个钢球3之后的位置。球体链外侧由光滑管道2进行固定。传感器5通过细导线4与信号采集装置7相连接。
图2为传感器5的结构示意图，如图2所示。传感器5包括钢柱8、PZT薄片9、绝缘双面胶带10和细导线4。两个钢柱8分别通过绝缘双面胶带10把两个钢柱8分别连接于PZT薄片9两侧，PZT薄片9连接两根细导线4，细导线4连接至信号采集装置7。
如图1结合图2、图3所示，本发明基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测量方法，运行过程如下：电磁铁1通电后将最端部的钢球3吸起，见图3所示，电磁铁1断电将钢球3放下，钢球3沿着光滑管道2运动到若干个钢球排列位置，见图1所示，并以一定的初速度撞击球体链产生孤立波。孤立波沿球体链传播至传感器5，球体链对传感器5左侧钢柱8产生压力，压力传播到PZT薄片材料9上，产生信号由信号采集装置7进行采集，然后孤立波经由传感器5之后继续传播至底端需要测量杨氏模量的材料，产生反射波。反射波沿着球体链往回传播，再次经过传感器5时，重复步骤经过同样的过程，信号采集装置将获取的若干次孤立波和反射波信号；利用钢球与钢球、钢球与钢柱、钢球与被测材料之间的相对位移与杨氏模量的关系，利用MATLAB解算出被测材料杨氏模量，得出被测材料杨氏模量与时间差的关系，从而得到折链高度非线性孤立波的杨氏模量。
采用上述装置，杨氏模量测量方法计算步骤如下：
步骤1：获得球体链之间的力学关系：
1a)钢球与钢球、钢球与钢柱之间的相互作用力均为赫兹接触力F，其大小和钢球体间的相对位移之间的关系如下：
F＝Aδ3/2
式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；δ为钢球间相对位移，mm；A为钢球与钢球、钢球与钢柱之间的接触系数；
1b)钢球与被测材料之间的相互作用力为赫兹接触力Fw，其大小和钢球与被测材料间的相对位移的关系如下：
Fw＝Awδ3/2
式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；νw为被测材料泊松比；Ew为被测材料杨氏模量，GPa；δ为球体与被测材料间相对位移，mm；Aw为钢球与被测材料之间的接触系数；
1c)F1，F2分别为拐角处相邻钢球对其的赫兹接触力，具体大小参照1a)钢球之间的赫兹接触力，Ft为管道对钢球的支撑力，其力之间的相互关系如下：
Ft＝F1+F2。
步骤2：结合步骤1中，钢球与钢球、钢球与钢柱、钢球与被测材料之间力与相对位移之间的关系和相对位移和杨氏模量的关系，利用MATLAB中龙格库塔算法，解算出每个钢球之间的位移与时间的关系，在通过力与位移之间的关系，求出传感器处相应的力与时间的关系，力第一次传递到传感器时，力和时间的关系即为相应入射波，力再次传递到传感器时，力和时间的关系即为相应反射波。由于被测材料杨氏模量变化，会引起反射波产生时间的变化，因此通过改变公式中被测材料的杨氏模量，可以得出被测材料杨氏模量与时间差的关系，具体关系图如图4所示，从图中可以看出随着杨氏模量增大，时间差变小，并且杨氏模量与时间差时一对一关系。
步骤3：使折链装置与待测被测材料接触，激发孤立波，信号采集系统采集出力与时间关系，通过计算出入射波和反射波之间的时间差，利用上述步骤2的杨氏模量与时间差的关系和寻优算法，找到一个使利用公式计算出的时间差与实际测量出的时间差最接近的一个杨氏模量，此杨氏模量即为被测材料杨氏模量。
根据上述装置建立了有限元仿真模型，通过接触对算法，仿真了折链装置测量不锈钢材料的相应过程。并将仿真结果与MATLAB计算出的结果画在一张图中进行对比。从图5中可以看出，两种方式得出的结果十分接近，不论是振幅还是相应的时间都几乎吻合在一起，也验证了通过力学关系推导出的相应公式是可以用来进行杨氏模量测量的。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成球体链，对球体链端部的电磁铁加电，光滑管道最顶部的钢球被吸起；
2)对电磁铁断电，无磁性控制，被吸起第一颗球体下落，沿着光滑管道运动，以一定的初速度撞击成钝角状斜折链结构的球体链，产生孤立波；
3)在水平面光滑管道中设有传感器，孤立波沿球体链传播至传感器，球体链对传感器左侧钢柱产生压力，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片，压力传播到PZT薄片上，信号采集装置采集产生的信号；
4)孤立波经由传感器之后继续传播至光滑管道底端产生反射波；反射波沿球体链往回传播，再次经过传感器时，再次采集一次信号传输至信号采集装置；
5)重复步骤1)～4)，信号采集装置将获取的若干次孤立波和反射波信号，利用钢球与钢球、钢球与钢柱、钢球与被测材料之间的相对位移与杨氏模量的关系，利用MATLAB解算出被测材料杨氏模量，得出被测材料杨氏模量与时间差的关系，从而得到折链高度非线性孤立波的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，所述钢球与钢球、钢球与钢柱之间的相互作用力均为赫兹接触力F，钢球与钢球、钢球与钢柱之间的杨氏模量的计算如下：
F＝Aδ3/2
式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；δ为钢球间相对位移，mm；A为钢球与钢球、钢球与钢柱之间的接触系数。
3.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，钢球与被测材料之间的相互作用力为赫兹接触力Fw，钢球与被测材料之间的杨氏模量的计算如下：
Fw＝Awδ′3/2
式中，r为钢球半径，mm；v为钢球泊松比；E为钢球杨氏模量，GPa；νw为被测材料泊松比；Ew为被测材料杨氏模量，GPa；δ′为球体与被测材料间相对位移，mm；Aw为钢球与被测材料之间的接触系数。
4.根据权利要求1所述的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试方法，其特征在于，F1，F2分别为拐角处相邻钢球之间的赫兹接触力，Ft为光滑管道对钢球的支撑力，其关系式如下：
Ft＝F1+F2。
5.一种权利要求1-4任一项所述方法采用的基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，包括电磁铁、光滑管道、钢球、细导线、传感器、薄铝片和信号采集装置；在光滑管道的中部放置有若干个钢球组成球体链，球体链成钝角状斜折链结构，在光滑管道的顶部设有一个电磁铁，在水平面光滑管道中设有传感器，传感器连接信号采集装置，在光滑管道的水平面端部设有薄铝片进行封底，被测材料置于薄铝片侧部。
6.根据权利要求5所述的一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，所述传感器包括钢柱、PZT薄片和细导线；两个钢柱分别通过绝缘双面胶带把两个钢柱分别连接于PZT薄片两侧，PZT薄片连接两根细导线连接至信号采集装置。
7.根据权利要求5所述的一种基于折链高度非线性孤立波的杨氏模量测试装置，其特征在于，所述薄铝片正中间打有一个5mm直径的孔。
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| Title |
|---|
| Axial stress determination using highly nonlinear solitary waves;Amir Nasrollahi 等;《J. Acoust. Soc. Am》;20181015;第144卷(第4期);第2201-2212页 * |
| 基于高度非线性孤立波的混凝土杨氏模量测量方法研究;邓雯 等;《仪器仪表学报》;20180430;第39卷(第4期);第205-212页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112304741A (zh) | 2021-02-02 |
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