CN112763580B - 一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，获取需检测的在役钢结构构件复制试件；对复制试件进行标定实验，标定复制试件的所有应力‑声弹性参数，以探头中心频率下的横波声时差和纵波声时平方的倒数为自变量，以平面应力各个应力分量为因变量，得到平面应力信息检测公式；确定检测点，对在役钢构件进行超声实验，获取检测点处横波和纵波回波时域信号；对捕捉到的时域信号进行频谱分析处理，得到探头中心频率下的横波声时差和纵波声时，并将其代入复制试件的平面应力检测公式，得到钢构件平面应力信息。本发明的方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢板构件平面应力信息的直接检测，且测试仪器安装方便、成本低、易于实现。

Description

一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法

技术领域

本发明属于钢结构构件应力无损检测领域，尤其涉及一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法。

背景技术

建筑钢构件由于其焊接需要，板结构是主要的结构形式之一。钢板构件作为常用的钢结构构件，在土木工程的多个领域得到较为广泛的应用。实际工程中，大多数钢板构件处于平面应力状态，其内部平面应力的识别是获取钢板构件真实应力状态的关键、是判断钢结构能否正常服役的指标。为了准确地了解和掌握钢板构件内部的平面应力状态和服役表现，有必要开发一种直接、灵敏、高效的应力检测方法。

超声波应力检测方法能够无损检测钢构件的内部应力，穿透性强，精度较高，设备操作简单且便于携带。目前，超声无损应力检测被广泛应用在一维问题上。而在二维和平面应力问题中，主要是由不同方向的一维应力的检测和组合去描述。然而这种简单组合并未考虑应力耦合对超声波传播造成的影响，如何正确有效地分离平面应力各个分量，获取应力分量的大小和方向，是平面应力检测的重点和难点。

在早期的研究中，声时法被用于捕捉超声波波速。其原理是通过一定声程内传播声时的变化表征波速的变化。然而，由于波速的变化是微小的，声时法对采集仪器的要求较高，同时特征量相对单一，难以提取较多的应力信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力信息检测方法，实现对在役钢结构构件平面应力信息的无损检测。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，包括以下步骤：

S1、获取需检测的在役钢结构构件复制试件；

S2、对复制试件进行加载实验和超声实验，标定复制试件的所有应力-声弹性参数，以探头中心频率下的横波声时差和纵波声时平方的倒数为自变量，以平面应力各个应力分量为因变量，得到平面应力信息检测公式；

S3、确定检测点，对在役钢构件进行超声实验，获取检测点处的横波和纵波回波时域信号；

S4、对捕捉到的时域信号进行频谱分析处理，得到探头中心频率下的横波声时差和纵波声时，并将其代入复制试件的平面应力信息检测公式，得到在役钢构件平面应力信息。

优选地，所述复制试件与原钢构件的厚度、材质、强度均相同，按比例缩小。

优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：

S21、搭建钢构件平面应力信息检测硬件系统；

S22、对复制试件逐级施加单向压应力，以5MPa为一个应力梯度，每个梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S23、在每个梯度的应力保持时间内，分别在选取的标定点处依次发射超声横波和纵波，采集并储存相应应力状态下的超声回波时域信号；

S24、对采集到的超声回波的时域信号进行频谱分析，截取目标回波，利用回波相位谱捕捉5MHz频率的偏振横波声时差和5MHz频率的纵波传播声时；

S25、将获得的偏振横波声时差和纵波传播声时代入应力-声弹性理论公式，拟合得到针对5MHz频率的各个声弹性常数的取值。

优选地，所述钢构件平面应力信息检测硬件系统包括：超声波信号发射和接收器、超声波信号转换器、数字示波器、钢构件应力加载和控制器；

其中，超声波信号转换器为超声横波探头和超声纵波探头，直径6mm，中心频率5MHz，主要频率范围0～10MHz，入射超声波为多频率耦合简谐脉冲波；

应力加载和控制器为电液伺服万能试验机，其最大压力为1000KN。

优选地，对复制试件逐级施加单向压应力时，最大应力不超过试件材料的屈服应力，使试件始终处于弹性状态。

优选地，在标定点处依次发射超声横波和纵波，将横波探头与水平方向以任意θ角度入射超声横波脉冲，采集并储存第一组回波时域信号；

将横波探头旋转π/2角度，以θ+π/2角度再次入射，采集并储存第二组回波时域信号；

将纵波探头置于同一标定点发射纵波脉冲，采集并储存第三组回波时域信号。

优选地，所述回波相位谱，以θ角度入射的第一组横波回波相位谱为：

其中，f为超声频率，

为横波初相位，Δt^-＝t₂-t₁，Δt⁺=t₁+t₂，分表表示偏振横波声时差、偏振横波声时和；

Δt^-＞0表示快波速度减去慢波速度，Δt_-＜0表示慢波速度减去快波速度；

以θ+π/2角度入射的第二组横波回波相位谱为：

两组横波回波相位差函数为：

考虑超声波在板类构件中传播的频散效应，对于频率f已知的超声波，单向应力状态下，横波偏振角φ＝0，其偏振波声时差为：

第三组纵波回波信号，其第n回波和第n+1回波，分别可以表示为：

其中，A表示超声波振幅，V_L表示纵波波速；

将第n回波和第n+1回波得相位变化相减，得到：

至此，可得纵波相速度公式：

t为相邻两回波的声时差：

其中，

为两相邻回波的相位差，可由回波时域信号经傅里叶变换后得到；

探头的中心频率为5MH，上述公式中，f＝5MHz。

优选地，所述平面应力-声弹性理论公式为：

其中，d_i是与仅材料二阶、三阶弹性系数相关的常数；

将每一个应力状态下的横波声时差Δt^-以及纵波声时平方的倒数(1/t²)代入应力-声弹性理论公式，经平面拟合即可得到d_i的取值。

优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：

S31、在测点处以任意θ₁角度入射超声横波，采集并储存第一组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₁+π/2角度再次入射，采集并储存第二组横波回波时域信号；

S32、在测点处以任意θ₂(θ₂≠θ₁)角度入射超声横波，采集并储存第三组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₂+π/2角度再次入射，采集并储存第四组横波回波时域信号；

S33、将纵波探头置于同一测点处发射纵波脉冲，采集第五组回波时域信号。

优选地，所述步骤S4原理为：平面应力和平面应力状态下，横波偏振角φ≠0，此时需以不同的入射角入射横波并旋转探头两组，得到两组相位差：

可得横波分量的波速差：

其中，V_T1，V_T2分别为两偏振横波的波速，相应的声时差和偏振角分别如下：

其中，f取探头中心频率，f＝5MHz。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力信息检测方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢板构件平面应力信息的无损检测，操作简便，成本较低，有一定的工程应用价值。

(2)本发明的方法，以超声探头中心频率为目标超声频率，在频域范围内利用超声回波相位变化捕捉偏振横波波速差和纵波波速，灵敏度较高。

(3)本发明的方法，将超声横波和纵波结合，考虑了应力的耦合对超声波速的影响，对平面应力进行了直接分离，而非一维应力的简单组合，精度较高。

综上所述，采用本发明所提出的一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力信息无损检测方法，实现了对不同材料不同厚度的在役钢板构件平面应力信息的无损检测，测试过程简便，测试仪器安装方便、成本低、易于实现。可用于对在建和已建钢绞线结构构件内部平面应力检测，也可用于其他金属板构件的焊接残余应力、加载应力检测。

附图说明

图1是本发明中直角坐标轴建立及横波双折射示意图。

图2是本发明中搭建的钢构件平面应力信息检测系统示意图。

图3是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第一组超声横波信号时域图。

图4是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第二组超声横波信号时域图。

图5是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第三组超声纵波信号时域图。

图6是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第一组超声横波第四回波信号相位谱图。

图7是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第二组超声横波第四回波信号相位谱图。

图8是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第三组超声纵波第六回波信号相位谱图。

图9是本发明实施例中Q235b钢板标定点处第三组超声纵波第七回波信号相位谱图。

图10是本发明实施例中10mm钢板不均匀平面应力场建立和应变片对比实验示意图。

图11是本发明实施例中10mm钢板对比实验测点示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本实施例基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法中，基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法的原理如下：

当一束超声横波垂直入射到各向异性固体表面，沿某一主对称轴传播时，它会分解成两个偏振方向垂直的纯横波，这就横波的双折射现象。本课题研究中，所设直角坐标系与零应力状态下的钢板正交异性轴ε_i重合，如图1所示。钢板的厚度为l，原点为探头与钢构件的接触位置，其中θ为超声横波的入射角。超声横波垂直入射到受应力作用的介质中，沿z轴方向传播，在材料内部分解成两个传播速度不同的偏振横波，P₁，P₂为两个横波分量的偏振方向，两个偏振方向垂直，且与正交轴保持一定的偏振角φ。

入射波为简谐脉冲波，横波脉冲可以看作是多个不同频率的谐振波的叠加，是一个较为复杂的波形，其中包含了各种不同频率的正弦波或者余弦波。则超声波信号入射点的振动方程即振源的振动方程为：

其中，u₀表示振源O的振动幅值，A_i表示超声横波脉冲的第i振动分量的幅值，ω_i为超声横波脉冲的第i振动分量的角频率，t表示振源振动的时间，

表示超声横波脉冲的第i振动分量的初相位。

将入射横波分解为的两个波分量记为u₁、u₂，波动方程分别为：

其中，V_T1和V_T2分别表示两个超声横波偏振波分量的波速。

当两个波分量传播至钢构件背面即x₃＝l处发生反射时，可得到传播方向沿x₃轴负方向的波动方程分别为：

沿x₃轴负方向传播的两个回波分量在x₃≤0的任意一点处合成一个横波回波u_r(x₃，t)，合成回波的偏振方向与入射波的偏振方向相同，其表达式为

u_r(x₃，t)＝u₁(x₃，t)cos(θ-φ)+u₂(x₃，t)sin(θ-φ)

\*MERGEFORMAT (4)

将式代入可得

采用收发双用纯横波直探头，在x₃＝0处接收回波，将x₃＝0代入上式，即可得到探头接收处超声波的振动方程为：

u_r(t)＝y(t-t₁)cos²(θ-φ)+y(t-t₂)sin²(θ-φ)

\*MERGEFORMAT (6)

其中，

定义u_r(f)、u₀(f)为u_r(t)、y(t)对应的傅里叶变换，则有：

将式代入式可得：

u_r(f)＝u₀(f)L(θ，φ；f)

\*MERGEFORMAT (9)

其中，L(θ，φ；f)可看作横波回波的调整函数，其表达式为：

利用欧拉公式进行展开得到：

L(θ，φ；f)＝cos²(θ-φ)(cos(2t₁πf)-isin(2t₁πf))

+sin²(θ-φ)(cos(2t₂πf)-isin(2t₂πf))

\*MERGEFORMAT (11)

各频率点对应的相位为：

其中，

Δt^-＝t₂-t₁，Δt⁺＝t₁+t₂

\*MERGEFORMAT (13)

Δt^-＞0表示快波速度减去慢波速度，Δt^-＜0表示慢波速度减去快波速度。

当探头旋转90度后，钢构件表面接收到的底面波的相位值为：

相位差函数为：

考虑超声波在板类构件中传播的频散效应，对于频率f已知的超声波，一维应力状态下，横波偏振角φ＝0，其偏振波声时差为：

平面应力和平面应力状态下，横波偏振角φ≠0，此时需以不同的入射角入射横波并旋转探头两组，得到两组相位差：

联立方程组、、、，可得横波分量的波速差：

其中，声时差和偏振角：

由式可知，对于频率f固定的简谐纵波，其发射波的时域表达式为：

第n回波和第n+1回波，分别可以表示为：

将第n回波和第n+1回波得相位变化相减，得到：

至此，可得纵波速度公式：

其中，t为相邻两回波的声时差：

其中

为两相邻回波的相位差，可以通过经傅里叶变换后的纵波频域信号得到。

由声弹性原理可知，对于一定频率的超声横波，其偏振横波的波速和偏振角的大小由所受应力状态和构件本身的性质共同决定，满足如下关系式：

同时，沿着x₃轴方向传播的纵波波速也与应力大小有关，满足：

ρ₀V_L ²＝A₃₃\*MERGEFORMAT (29)

其中，V_T1，V_T1，V_L分别表示偏振横波波速和纵波波速，A_ij与材料二阶三阶弹性系数以及材料应变有关，有如下关系：

A₁₁+A₂₂＝(C₅₅+C₄₄)+(2λ+2C₅₅+C₅₅₁+C₄₄₁)ε_x

+(2λ+2C₄₄+C₅₅₂+C₄₄₂)ε_y+(2λ+4μ+C₄₃₃+C₅₃₃)ε_z

\*MERGEFORMAT (31)

A₁₁-A₂₂＝(C′₅₅-C′₄₄)+[2μ+(c₂₄₄-c₂₅₅)](ε_x-ε_y)+(C′₅₅₁-C′₄₄₁)ε_x

+(C′₅₅₂-C′₄₄₂)ε_y+(C′₃₅₅-C′₃₄₄)ε_z

\*MERGEFORMAT (32)

A₃₃＝C₃₃+(λ+C₃₃₁)ε_x+(λ+C₃₃₂)ε_y+(λ+2μ+2C₃₃+C₃₃₃)ε_z

\*MERGEFORMAT (33)

A₁₂＝(μ+C₄₅₆)γ_xy

\*MERGEFORMAT (34)

利用胡克定律将应变转化为应力，将方程代入方程-中，经过必要的数学处理，可得平面应力声弹性理论公式：

其中，d_i为最终的应力声弹性系数，它们的取值只与材料二阶三阶弹性系数以及试件厚度有关，且可由标定实验确定。

基于上述理论推导，可以总结出本方法的实施过程共分四大步。第一步是在役钢板构件的复制；第二步是利用钢板应力检测系统，针对探头中心频率，通过标定实验标定该频率下复制构件的所有声弹性系数，获取该频率下的平面应力检测拟合平面及公式表达；第三步是针对在役钢板构件，确定其检测点，对其进行超声试验，获取超声横波及纵波时域信号；第四步是对捕捉到的时域信号进行频谱分析，针对探头中心频率，利用回波相位谱得到该频率下的实测超声横波的声时差及纵波的声时，并代入平面应力检测理论公式，求得在役钢板构件平面应力各应力大小。本方法的四大步实施过程如下：

第一步，在役钢结构构件的复制：在役钢构件一般不可拆卸，本方法实施过程中需要获取探头中心频率下的平面应力声弹性关系式。为此，选择与在役钢构件的材料、厚度均相同的复制构件，可按比例缩小至实验室尺寸，在复制试件上进行声弹性系数标定。

第二步，对复制试件进行加载实验和超声实验，标定复制试件的所有应力-声弹性参数，以探头中心频率下的横波声时差和纵波声时平方的倒数为自变量，以平面应力各个应力分量为因变量，得到平面应力信息检测公式：这一步的具体步骤是：

(1)搭建钢构件平面应力信息检测硬件系统，如图2所示，包括：超声波信号发射和接收器、超声波信号转换器、数字示波器、钢构件应力加载和控制器。其中，超声波信号转换器为超声横波探头和超声纵波探头的探头截面尺寸以及中心频率均相等。

(2)对复制试件逐级施加单向压应力，以5MPa为一个应力梯度，每个梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

(3)在每个梯度的应力保持时间内，在标定点处依次发射超声横波和纵波，将横波探头与水平方向以任意θ角度入射超声横波脉冲，采集并储存第一组回波时域信号；将横波探头旋转π/2角度，以θ+π/2角度再次入射，采集并储存第二组回波时域信号；将纵波探头置于同一标定点发射纵波脉冲，采集并储存第三组回波时域信号。

(4)针对采集到的三组超声回波的时域信号，截取目标回波，得到对应的四组回波相位谱，捕捉中心频率的偏振横波声时差和中心频率的纵波传播声时；

(5)将获得的偏振横波声时差和纵波传播声时代入应力-声弹性理论公式(35)，拟合得到针对中心频率的各个声弹性常数的取值，求得对应的拟合平面。

第三步，确定检测点，对在役钢构件进行超声实验，获取检测点处的横波和纵波回波时域信号：这一步的具体操作如下：

(1)在测点处以任意θ₁角度入射超声横波，采集并储存第一组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₁+π/2角度再次入射，采集并储存第二组横波回波时域信号；

(2)在测点处以任意θ₂(θ₂≠θ₁)角度入射超声横波，采集并储存第三组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₂+π/2角度再次入射，采集并储存第四组横波回波时域信号；

(3)将纵波探头置于同一测点处发射纵波脉冲，采集第五组回波时域信号。

第四步，对捕捉到的时域信号进行频谱分析处理，得到探头中心频率下的横波声时差和纵波声时，并将其代入复制试件的平面应力检测公式，得到在役钢构件平面应力信息：这一步的具体操作如下：

(1)针对时域信号，截取目标回波，利用傅里叶变换公式(8)将五组目标回波的时域信号转化成频域信号；

(2)在频域中提取探头中心频率下的超声横波回波相位差

和超声纵波回波相位

利用公式(19)和公式(25)计算得到横波声时差Δt^-和纵波声时t；

(3)将得到的横波声时差Δt^-和纵波声时t代入应力-声弹性理论公式(35)，获得在役钢构件平面应力信息。

实施例1

本发明选择常用的Q235b钢板试件，厚度为10mm，其长宽分别为250mm和80mm。按照实施例1所提的检测步骤进行检测。

第一步，沿宽度方向对钢板试件进行单向逐级加载实验，以5MPa为一个应力梯度，为使钢板始终处于弹性状态，加载的应力上限为165MPa。

第二步，在每个梯度的应力保持时间内，在标定点处依次发射超声横波和纵波，将横波探头与水平方向以60°入射超声横波脉冲，采集并储存第一组回波时域信号，如图3所示；将横波探头旋转90°，以150°角度再次入射，采集并储存第二组回波时域信号，如图4所示；将纵波探头置于同一标定点发射纵波脉冲，采集并储存第三组回波时域信号，如图5所示。

第三步，针对采集到的三组超声回波的时域信号，截取目标波段进行傅里叶变换。本发明中截取横波第四回波和纵波第六、七回波进行傅里叶变换得到对应的四个回波相位谱，分别如图6、图7、图8和图9所示，捕捉中心频率5MHz的偏振横波声时差Δt^-和中心频率的纵波传播声时t，如表1所示。并将获得的偏振横波声时差和纵波传播声时代入应力-声弹性理论公式(35)，拟合得到针对中心频率的各个声弹性常数的取值，如表2所示，求得对应的拟合平面。

第四步，创建不均匀平面应力场，如图10所示。对受不均匀平面应力的钢板构件，确定检测点A1、A2、A3和A4，如图11所示，在每一测点处同时进行超声实验和应变片实验。在测点处以60°入射超声横波，采集并储存第一组横波回波时域信号；旋转探头，以150°角度再次入射，采集并储存第二组横波回波时域信号；旋转探头，在同一点处以30°入射超声横波，采集并储存第三组横波回波时域信号；旋转探头，以120°角度再次入射，采集并储存第四组横波回波时域信号。将纵波探头置于同一测点处发射纵波脉冲，采集第五组回波时域信号。

第五步，对捕捉到的时域信号进行频谱分析处理，利用傅里叶变换公式(8)将五组时域信号转化成频域信号。在频域中提取探头中心频率5MHz下的超声横波回波相位差

和超声纵波回波相位

利用公式(19)和公式(25)计算得到横波声时差Δt^-和纵波声时t。

第六步，将得到的横波声时差Δt^-和纵波声时t代入应力-声弹性理论公式(35)，获得待检测钢构件平面应力信息。为验证本方法的准确性，本发明采用应变片法作为对比，对比结果如表3所示。

表1 Q235b钢板标定实验结果(f＝5MHz)

表2 Q235b钢板平面应力声弹性系数标定值(f＝5MHz)

表3 Q235b钢板平面应力信息检测结果

实施例2

本发明选择10mm厚度的Q345b钢板作为试验对象，其长宽分别为250mm和80mm。按照实施例1所提的检测步骤进行标定实验和检测实验，标定实验结果如表4所示，求得的平面应力声弹性系数取值如表5所示。同样针对四个检测点A1、A2、A3和A4，采用应变片法作为对比，对比结果如表6所示。

表4 Q345b钢板标定实验结果(f＝5MHz)

表5 Q345b钢板平面应力声弹性系数标定值(f＝5MHz)

表6 Q345b钢板平面应力信息检测结果

通过实施例可见，采用本发明的一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力信息检测方法，能够实现对不同材料不同厚度的在役钢构件内部平面应力的无损检测，测试仪器操作方便、检测成本低、易于实现；同时，灵敏度较高，易于数据采集。可用于对在建和已建钢构件内部平面应力检测，也可用于其他金属板构件内部平面应力检测。

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)

1.一种基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取需检测的在役钢构件的复制试件；

S2、对复制试件进行加载实验和超声实验，标定复制试件的所有应力-声弹性参数，以探头中心频率下的横波声时差和纵波声时平方的倒数为自变量，以平面应力各个应力分量为因变量，得到平面应力信息检测公式；

S3、确定检测点，对在役钢构件进行超声实验，获取检测点处的横波和纵波回波时域信号；

S4、对捕捉到的时域信号进行频谱分析处理，得到探头中心频率下的横波声时差和纵波声时，并将其代入复制试件的平面应力信息检测公式，得到在役钢构件平面应力信息；

所述平面应力信息检测公式为：

其中，d_i是与材料二阶、三阶弹性系数相关的常数，i＝1、2、3、4、5，φ为横波偏振角；

将每一个应力状态下的横波声时差Δt^-以及纵波声时平方的倒数

代入平面应力信息检测公式，经平面拟合即可得到d_i的取值。

2.根据权利要求1所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述复制试件与在役钢构件的厚度、材质、强度均相同，按比例缩小。

3.根据权利要求1所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述步骤S2包括如下子步骤：

S21、搭建钢构件平面应力信息检测硬件系统；

S22、对复制试件逐级施加单向压应力，以5MPa为一个应力梯度，每个梯度应力保持一段时间用以实施超声实验；

S23、在每个梯度的应力保持时间内，分别在选取的标定点处依次发射超声横波和纵波，采集并储存相应应力状态下的超声回波时域信号；

S24、对采集到的超声回波的时域信号进行频谱分析，截取目标回波，利用回波相位谱捕捉5MHz频率的横波声时差和5MHz频率的纵波声时；

S25、将获得的横波声时差和纵波声时代入平面应力信息检测公式，拟合得到针对5MHz频率的各个声弹性常数的取值。

4.根据权利要求3所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述钢构件平面应力信息检测硬件系统包括：超声波信号发射和接收器、超声波信号转换器、数字示波器、钢构件应力加载和控制器；

其中，超声波信号转换器为超声横波探头和超声纵波探头，直径6mm，中心频率5MHz，主要频率范围0～10MHz，入射超声波为多频率耦合简谐脉冲波；

应力加载和控制器为电液伺服万能试验机，其最大压力为1000KN。

5.根据权利要求3所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

对复制试件逐级施加单向压应力时，最大应力不超过试件材料的屈服应力，使试件始终处于弹性状态。

6.根据权利要求3所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

在标定点处依次发射超声横波和纵波，将横波探头与水平方向以任意θ角度入射超声横波脉冲，采集并储存第一组回波时域信号；

将横波探头旋转π/2角度，以θ+π/2角度再次入射，采集并储存第二组回波时域信号；

将纵波探头置于同一标定点发射纵波脉冲，采集并储存第三组回波时域信号。

7.根据权利要求6所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述回波相位谱，以θ角度入射的第一组横波回波相位谱为：

其中，f为超声频率，

为横波初相位，Δt^-＝t₂-t₁，Δt⁺＝t₁+t₂，分别表示横波声时差、横波声时和；

Δt^-＞0表示快波速度减去慢波速度，Δt^-＜0表示慢波速度减去快波速度；

以θ+π/2角度入射的第二组横波回波相位谱为：

两组横波回波相位差函数为：

考虑超声波在板类构件中传播的频散效应，对于频率f已知的超声波，单向应力状态下，横波偏振角φ＝0，其横波声时差为：

第三组纵波回波信号，其第n回波和第n+1回波，分别表示为：

其中，A表示超声波振幅，V_L表示纵波波速，l表示钢构件厚度；

将第n回波和第n+1回波的相位变化相减，得到：

至此，可得纵波相速度公式：

t为纵波声时：

其中，

为两相邻回波的相位差，由回波时域信号经傅里叶变换后得到；

探头的中心频率为5MHz，上述公式中，f＝5MHz。

8.根据权利要求1所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述步骤S3包括如下子步骤：

S31、在检测点处以任意θ₁角度入射超声横波，采集并储存第一组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₁+π/2角度再次入射，采集并储存第二组横波回波时域信号；

S32、在检测点处以任意θ₂角度入射超声横波，采集并储存第三组横波回波时域信号；旋转探头，以θ₂+π/2角度再次入射，采集并储存第四组横波回波时域信号，θ₂≠θ₁；

S33、将纵波探头置于同一检测点处发射纵波脉冲，采集第五组回波时域信号。

9.根据权利要求8所述的基于超声横纵波结合的钢构件平面应力检测方法，其特征在于，

所述步骤S4原理为：平面应力状态下，横波偏振角φ≠0，此时需以不同的入射角入射横波并旋转探头，得到两组相位差：

可得横波分量的波速差：

其中，l为钢构件厚度，V_T1，V_T2分别为两偏振横波的波速，相应的声时差和偏振角分别如下：

其中，f取探头中心频率，f＝5MHz。

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