CN112880895B - 一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法 - Google Patents

一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法。包括采用水刀切割的金属进行零应力的标定；采用相同材料与组分的金属施加已知的力，计算得出零应力的大小；在施加力的过程中，对采集的信号做傅里叶变换，测量采集到的信号的频率组分与相位部分；建立起频率相位与应力的模型；测得频率，幅值，和相位；带入建立的模型，求得应力；多次测量，求取平均值。本发明不同于传统的残余应力检测技术。通过对谐波的分析来测量残余应力的大小。大大降低了超声检测系统的高速数据采集的需求。可以测量更小范围的残余应力。

Description

一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测 量方法
技术领域
本发明涉及残余应力检测技术领域，是一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法。
背景技术
航空发动机现在制造技术不仅仅限于外形的制造，同时也注重整个零件的力学性能。而材料的力学性能受材料内部的残余应力的影响。残余应力容易导致裂纹的产生。所以航空发动机的残余应力的检测至关重要。现有的残余应力检测通过建立声速与残余应力的模型，通过测量声速的变化来测得残余应力的变化。但是由于残余应力引起的超声波声速的变化很小，在实践过程中难以测量。同时声速也受温度等外部因素的影响。虽然通过种种手段现在已近能够用超声波测量残余应力，但是整个测量任然存在一定的局限性。本发明通过对非线性超声学的研究，建立起一套基于非线性超声波的可以测量残余应力的方法。本方法主要通过频谱的分析来建立起残余应力的检测模型。
发明内容
本发明为实现测量大型高速回转装备叶片残余应力，本发明提供了一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法基于非线性超声波的残余应力检测装置，所述装置包括待测工件、发射探头、接收探头、超声采集卡和电脑，所述发射探头和接收探头的一端连接待测工件，所述发射探头和接收探头的另一端连接超声采集卡，超声采集卡连接电脑。一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法包括以下步骤：
步骤1：采用水刀切割的金属进行零应力的标定；
步骤2：采用相同材料与组分的金属施加已知的力，计算得出零应力的大小，通过下式计算零应力：
Figure BDA0002296654750000011
其中，σ为零应力，F为已知的应力，S为材料的横截面积；
步骤3：在施加力的过程中，对采集的信号做离散傅里叶变换，测量采集到的信号的频率组分与相位部分；
通过下式进行离散傅里叶变换：
Figure BDA0002296654750000021
其中，X(k)为离散傅里叶变换后的数据，x(n)为采样的模拟信号，N为信号阶数；
步骤4：建立起频率相位与应力的模型，通过下式表示所述模型：
σn＝kf(3)
其中，σn为第n个应力，k为应力常数，f为高频分量；
步骤5：重复步骤3，测得频率，幅值，和相位；
步骤6：带入步骤4所建立的模型，求得残余应力；
通过下式计算残余应力：
Figure BDA0002296654750000022
其中，ρ0为材料的密度，V为超声在弹性体中的传播速度，σ为材料所受的应力，k0为材料的常数，λ和μ为二阶声弹性常数，l、m和n为三阶声弹性常数；
步骤7：多次测量，求取平均值；
通过下式计算材料的常数：
Figure BDA0002296654750000023
通过对零应力的金属进行标定，测得弹性常数。
优选地，采用5M中心频率的宽带超声波发射探头发射超声波对测量件进行检测。
优选地，采用AD-IPR1210型超声采集卡产生超声的发射信号，并接收信号。
优选地，通过下式求取平均值：
Figure BDA0002296654750000024
其中，σav为平均值。
优选地，通过下式计算材料的常数：
Figure BDA0002296654750000025
本发明具有以下有益效果：
本发明不同于传统的残余应力检测技术。通过对谐波的分析来测量残余应力的大小。大大降低了超声检测系统的高速数据采集的需求。可以测量更小范围的残余应力。
附图说明
图1是非线性超声波的残余应力检测装置结构图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本发明提供一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，针对现有技术存在的问题与缺陷，我们提出一种基于非线性超声波的残余应力检测方法。一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法基于非线性超声波的残余应力检测装置，所述装置包括待测工件、发射探头、接收探头、超声采集卡和电脑，所述发射探头和接收探头的一端连接待测工件，所述发射探头和接收探头的另一端连接超声采集卡，超声采集卡连接电脑。通过使用5M中心频率的宽带超声波发射探头发射超声波对测量件进行检测。超声信号在进入工件内部后，由于不同的内应力对超声传播的影响，超声的传播速度会收到影响，传统的方法就是通过测量时差来测量工件内部的超声速度，通过速度与应力的模型。进而测得应力。本方法通过对超声信号的频谱分析，建立起相位、频率与残余应力的相关模型。再对接收到的信号，进行频谱通过对信号的频谱分析。从而测量出应力的大小。
通过AD-IPR1210超声波板卡产生超声的发射信号同时接收信号。通过示波器对接收信号进行傅里叶分析。算出谐波的频率与幅值。通过不同的频率与幅值与对应的残余应力建立起残余应力的结算模型。
具体操作方法如下：
步骤1：采用水刀切割的金属进行零应力的标定；
步骤2：采用相同材料与组分的金属施加已知的力，计算得出零应力的大小，通过下式计算零应力：
Figure BDA0002296654750000031
其中，σ为零应力，F为已知的应力，S为材料的横截面积；
步骤3：在施加力的过程中，对采集的信号做离散傅里叶变换，测量采集到的信号的频率组分与相位部分；
通过下式进行离散傅里叶变换：
Figure BDA0002296654750000041
其中，X(k)为离散傅里叶变换后的数据，x(n)为采样的模拟信号，N为信号阶数；
步骤4：建立起频率相位与应力的模型，通过下式表示所述模型：
σn＝kf(3)
其中，σn为第n个应力，k为应力常数，f为高频分量；
步骤5：重复步骤3，测得频率，幅值，和相位；
步骤6：带入步骤4所建立的模型，求得残余应力；
通过下式计算残余应力：
Figure BDA0002296654750000042
其中，ρ0为材料的密度，V为超声在弹性体中的传播速度，σ为材料所受的应力，k0为材料的常数，λ和μ为二阶声弹性常数，l、m和n为三阶声弹性常数；
步骤7：多次测量，求取平均值；
通过下式计算材料的常数：
Figure BDA0002296654750000043
通过对零应力的金属进行标定，测得弹性常数。
一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法通过如下C语言实现的代码如下：
Figure BDA0002296654750000044
Figure BDA0002296654750000051
Figure BDA0002296654750000061
以上所述仅是一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法的优选实施方式，一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，所述方法基于非线性超声波的残余应力检测装置，所述装置包括待测工件、发射探头、接收探头、超声采集卡和电脑，所述发射探头和接收探头的一端连接待测工件，所述发射探头和接收探头的另一端连接超声采集卡，超声采集卡连接电脑，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：采用水刀切割的金属进行零应力的标定；
步骤2：采用相同材料与组分的金属施加已知的力，计算得出零应力的大小，通过下式计算零应力：
Figure FDA0003711745720000011
其中，σ为零应力，F为已知的应力，S为材料的横截面积；
步骤3：在施加力的过程中，对采样的模拟信号做离散傅里叶变换，测量采样的模拟信号的频率组分与相位部分；
通过下式进行离散傅里叶变换：
Figure FDA0003711745720000012
其中，X(k)为离散傅里叶变换后的数据，x(n)为采样的模拟信号，N为信号阶数；
步骤4：建立起频率相位与应力的模型，通过下式表示所述模型：
σn＝kf (3)
其中，σn为第n个应力，k为应力常数，f为高频分量；
步骤5：重复步骤3，测得频率，幅值和相位；
步骤6：带入步骤4所建立的模型，求得残余应力；
通过下式计算残余应力：
Figure FDA0003711745720000013
其中，ρ0为材料的密度，V为超声波在金属中的传播速度，σ为材料所受的应力，k0为材料的常数，λ和μ为二阶声弹性常数，l、m和n为三阶声弹性常数；
步骤7：多次测量，求取平均值；
通过下式计算材料的常数：
Figure FDA0003711745720000021
通过对零应力的金属进行标定，测得材料的常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，其特征是：采用5M中心频率的宽带超声波发射探头发射超声波对测量件进行检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，其特征是：采用AD-IPR1210型超声采集卡产生超声波的采样的模拟信号，并接收采样的模拟信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声波的大型高速回转装备叶片残余应力测量方法，其特征是：通过下式求取平均值：
Figure FDA0003711745720000022
其中，σav为平均值。
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