CN114646687A - 基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法 - Google Patents

基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法 Download PDF

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CN114646687A CN202210304468.4A CN202210304468A CN114646687A CN 114646687 A CN114646687 A CN 114646687A CN 202210304468 A CN202210304468 A CN 202210304468A CN 114646687 A CN114646687 A CN 114646687A
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于昊申
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Abstract

本申请提供了一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，采用由工控机、脉冲激励卡、变角度楔块、超声换能器、数据采集卡构成的应力检测系统，所述方法包括：通过向碳纤维复合板材发射超声波，获取在所述碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的超声波入射角度；根据所述超声波入射角度，将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域；根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型；通过所述应力检测系统对所述碳纤维复合板材的待检测区域进行检测，根据超声波的传播声时和所述应力检测模型计算所述待检测区域的应力状态。

Description

基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法
技术领域
本申请涉及超声无损检测及结构健康监测技术领域，特别涉及一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法。
背景技术
在超声无损检测中，临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave,LCR wave)法有着很多应用，包括根据声弹性原理进行材料应力检测，以及根据超声非线性原理进行材料损伤检测等。针对临界折射纵波法的应力检测研究起步较早，通常用于焊接应力、轨道残余应力的检测。在金属材料领域，使用临界折射纵波进行应力测量的技术较为成熟，在螺栓，建筑钢架结构，高铁部件的应力检测方面有着较多应用，其检测系统具有便携性，精度高，响应快等优点，是结构健康监测的重要手段。近年来，超声临界折射纵波检测法应用于更多材料和场合的可行性得到了证明。
碳纤维复合材料具有强度高、刚度重比高、耐腐蚀等优点，是目前应用最广泛的民用基础设施材料之一,是作为修复和加固现有结构的重要材料。使用临界折射纵波法对复合材料进行应力检测同样可行，且超声传播时间与应力的规律与金属材料相反。由于复合材料可以由多种不同的铺层工艺制成，每种铺层工艺得到的材料具有不同的结构特征，表现出较强的各向异性特点。因此使用超声临界折射纵波法检测复合材料应力，需从结构特征，声时差变化规律入手，进一步研究具体检测方法。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，能够在复合材料表层激发出临界折射纵波的基础上，使用临界折射纵波法对不同铺层方式的碳纤维复合板材，进行沿特定方向的应力检测。
本申请提供了一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，采用由工控机、脉冲激励卡、变角度楔块、超声换能器、数据采集卡构成的应力检测系统，所述方法包括：
通过向碳纤维复合板材发射超声波，获取在所述碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的超声波入射角度；
根据所述超声波入射角度，将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域；
根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型；
通过所述应力检测系统对所述碳纤维复合板材的待检测区域进行检测，根据超声波的传播声时和所述应力检测模型计算所述待检测区域的应力状态。
由上，本申请通过提供一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，通过对碳纤维复合板材进行超声波入射试验，以获取在碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的超声波入射角度，根据该超声波入射角度调整变角度楔块的固定角度，以将变角度楔块与超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域，然后通过本申请的应力检测系统，通过一端的超声换能器向待检测区域发射超声波，并通过另一端的超声换能器接收传出的波形，根据超声波的传播声时和该碳纤维复合板材的应力检测模型即可计算待检测区域的应力状态。采用本申请的应力检测方法，能够在复合材料表层激发出临界折射纵波的基础上，使用临界折射纵波法对不同铺层方式的碳纤维复合板材，进行沿特定方向的应力检测。
可选的，所述将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域包括：
采用两个变角度楔块和两个超声换能器分别固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域，其中一组超声换能器和变角度楔块接收来自脉冲激励卡的脉冲波，按照所述超声波入射角度向所述碳纤维复合板材发射超声波，另一组超声换能器和变角度楔块接收由所述碳纤维复合板材中传出的波形。
由上，通过采用两个变角度楔块和两个超声换能器分别固定于碳纤维复合板材的待检测区域，其中一组超声换能器和变角度楔块接收来自脉冲激励卡的脉冲波，按照所述超声波入射角度向所述碳纤维复合板材发射超声波，另一组超声换能器和变角度楔块接收由所述碳纤维复合板材中传出的波形，从而根据超声波的传播声时及应力检测模型计算得到碳纤维复合板材的待检测区域的应力状态。
可选的，还包括：
在所述变角度楔块、所述超声换能器、所述碳纤维复合板材的待检测区域的表面分别采用耦合剂进行耦合。
由上，为减小表面之间的空气对超声波传播的影响，需要在变角度楔块、超声换能器、碳纤维复合板材的相互接触的表面采用耦合剂进行耦合。
可选的，所述根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型包括：
根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，对所述碳纤维复合板材进行拉伸试验，得到不同应力下的超声波传播声时；
根据所述不同应力下的超声波传播声时，确定所述碳纤维复合板材的应力检测模型。
由上，通过对碳纤维复合板材进行拉伸试验，可得到不同应力下的超声波的传播声时，根据应力差与传播声时差，即可拟合得到该碳纤维复合板材的应力检测模型，其中应力与传播声时呈正相关。
可选的，以使得超声波在所述碳纤维复合板材的传播方向与所述碳纤维复合板材中的其中一个纤维方向平行的方式，固定所述变角度楔块。
由上，使用本方法测量时，超声波的传播方向应与铺层中任意纤维方向平行，且所测应力数值为该方向上的应力分量。
可选的，所述碳纤维复合板材的厚度应大于5mm，且板材表面无特殊处理。
本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种应力检测系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的变角度楔块的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的超声波传播路径的原理图；
图4为本申请实施例提供的基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法的流程图。
应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本申请实施例提供了一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，能够在复合材料表层激发出临界折射纵波的基础上，使用临界折射纵波法对不同铺层方式的碳纤维复合板材，进行沿特定方向的应力检测。
如图1所示，本申请提供的基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法采用一种由工控机100、脉冲激励卡200、变角度楔块300、超声换能器400、数据采集卡500构成的应力检测系统。
其中，工控机100可以是直接与人交互的计算机系统，与脉冲激励卡200及数据采集卡500直接连接，通过工控机向脉冲激励卡200发送命令，并解析和展示由数据采集卡500记录的超声数据，以及计算和展示碳纤维复合板材的应力状态；
脉冲激励卡200一端与工控机100连接，另一端和超声换能器400连接，当接收工控机100的命令后，向超声换能器400发送脉冲波，激励超声换能器400发射超声波；
数据采集卡500通过与负责接收波形信息的超声换能器400连接，采集该超声换能器400的相关电信号，并发送至工控机100；
如图2所示，变角度楔块300为超声换能器400与碳纤维复合板材之间的辅助模块，用于固定超声换能器300，使得该超声换能器300与碳纤维复合板材形成温度的位置关系，使其发射的超声波按照一定入射角度传输到碳纤维复合板材的表面。该变角度楔块300具有耦合室、耦合台、引流槽和隔声槽结构，其中该耦合室用于通过耦合剂将超声换能器400与该变角度楔块300进行耦合，耦合台用于通过耦合剂将该变角度楔块300与碳纤维复合板材进行耦合。
如图3所示，超声换能器400可以将输入的电功率转换成超声波再发射出去，也可以将接收到的超声波转换为电功率。本系统中采用两个超声换能器400和两个变角度楔块300，其中超声换能器400和变角度楔块300接收来自脉冲激励卡200的脉冲波，按照所述超声波入射角度向所述碳纤维复合板材发射超声波，另一组超声换能器400和变角度楔块300接收由所述碳纤维复合板材中传出的波形，并转换为电功率信号发送至数据采集卡500。
如图4所示，本申请提供的基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法包括下述步骤：
S100：通过向碳纤维复合板材发射超声波，获取在所述碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的超声波入射角度；
本步骤中，可以使用COMSOL对超声波在超声楔块(非实际试验中的变角度楔块，只是仿真中设计的替代品)和碳纤维材料中的传播进行仿真。超声从左边的楔块中被激发，在进入碳纤维材料中时，会激发出折射纵波和折射横波、头波等。其中，折射纵波再次通过折射进入右侧的楔块并被传感器接收，由此可获取在所述碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的最佳的超声波入射角度。
S200：根据所述超声波入射角度，将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域；
本实施例中使用的碳纤维复合板材的厚度应大于5mm，板材表面无特殊处理。碳纤维复合板材置于水平平整面上，将分别负责发射与接收的两个变角度超声楔块置于板材表面，使用超声耦合剂对材料表面与变角度超声楔块表面、变角度超声楔块及超声换能器之间进行耦合。两个变角度超声楔块的边缘与板材边缘对齐，以保证楔块中心共线。根据碳纤维复合板材的纤维铺设方式的不同，放置楔块时应保证超声折射波的传播方向与板材中其中一个的纤维方向平行。
S300：根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型；
基于图3所示的超声波的传播路径，超声波从发射端到接收端所用的时间可表示为：
t0＝2×tw+tm0
其中，t0为无应力下由检测系统测得的两超声换能器间的超声波传播总声时，tw为超声波在变角度楔块中传播的时间，tm0为超声波在材料中传播的时间。
当材料处于应力状态下时，超声波从发射端到接收端所用的时间可表示为：
t1＝2×tw+tm1
其中，t1为有应力状态下由检测系统测得的两超声换能器间的超声波传播总声时，tw为超声波在楔块中传播的时间，由于楔块不受应力作用因此该项不变，tm1为超声波在应力状态下的材料中传播的时间。
检测中得到的时差Δt为：
Δt＝t1-t0＝tm1-tm0
同时有：
Figure BDA0003547177080000071
其中v1、v0分别为应力和无应力状态下的声速，l为材料中超声波声程。在本方法中，由于材料的声程固定，因此该变量Δt可反应出声速的变化。
根据声弹性定理，当各向同性固体材料收到一个方向的应力作用时，沿着应力方向传播的超声纵波声时差和应力的关系基本成线性关系，经推导和简化可表示为：
Δσ＝K·Δt
碳纤维复合材料为各向异性材料，其内部因应力引起的超声现象与经典声弹性原理有一定区别。经试验，碳纤维复合材料内部应力引起的超声声速变化规律与声弹性定理中所描述的规律类似。为保证检测模型的准确性，本方法在经典公式的基础上，针对复合材料设计如下应力计算模型：
Figure BDA0003547177080000072
下面对本模型进行解释：应力σ为时间差Δt的函数。但在标定过程中，直接获得的是已知应力状态下的Δt数据，因此该模型以σ作为变量对应力差Δt进行拟合。实验中发现，根据所测复合材料种类的不同，等应力间距下声时差的变化规律更为明显，因此令f(σ)＝Δt(σ)-Δt(σ-dσ)，其实际含义为两个相邻应力记录点下对应的时间差的差，该函数反映了拟合函数Δt(σ)的斜率的变化规律，因此对f(σ)进行积分即可得到应力计算公式Δt(σ)。我们在此称f(σ)为相邻差拟合函数，Δt(σ)为声时差拟合函数。
根据复合材料铺层方式的不同，f(σ)具有不同的形式，应使用不同函数对其拟合，现分为单向复合材料板，正交铺层及其他铺层两种情况分别讨论：
(1)单向板复合材料应力计算模型
与其它复杂铺层方式相比，单向铺层的板材超声参数变化稳定，声时差随着应力变化较为均匀，但随着σ增大相邻应力间隔下的声时差依然有减小趋势。因此使用线性拟合方法对f(σ)进行拟合：
f(σ)＝a·σ+b
(2)正交及其它铺层复合材料应力计算模型
与单项铺层不同，随着铺层结构的复杂，在应力相对较低时声时差的非线性现象较为明显，随着应力增大，f(σ)逐渐线性化，该曲线具有多短特征，因此使用分段函数对f(σ)进行拟合：
Figure BDA0003547177080000081
其中σ0为拟合函数线性转折点，是人为设定的。当σ＞σ0时，根据相邻差的线性规律确定m,n参数；当σ≤σ0时，以两段函数的连续性、平滑性为原则确定a,b,c参数。
在一些实施例中，本方案中标定实验时所使用的楔块声程与实际检测中所使用的楔块声程不必相同，令标定实验中声程为l，检测中的声程为l1，此时定义距离因子为m，且
Figure BDA0003547177080000082
此时应力计算模型替换为：
Figure BDA0003547177080000083
本实施例中，距离因子的设置增加了检测区域的灵活性。
S400：通过所述应力检测系统对所述碳纤维复合板材的待检测区域进行检测，根据超声波的传播声时和所述应力检测模型计算所述待检测区域的应力状态。
根据上述应力检测系统，通过工控机向脉冲激励卡发送命令，脉冲激励卡根据命令向超声换能器发送脉冲波，激励超声换能器发射超声波，该超声换能器和变角度楔块按照固定的入射角度向碳纤维复合板材的待检测区域发射超声波，该超声波在该碳纤维复合板材中传播一段时间后，被另一端的超声换能器接收，转换为电功率信号后发送至数据采集卡，该数据采集卡将采集到的电信号发送至工控机。该工控机根据超声波的传播声时以及上述的应力检测模型，即可计算得到该碳纤维复合板材的待检测区域的应力状态。
需要说明的是，本申请所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，上述对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，并不表示一定会按此步骤执行，还可以包括中间的步骤或者由其他的步骤代替，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种基于超声临界折射纵波的碳纤维复合板材表层应力检测方法，其特征在于，采用由工控机、脉冲激励卡、变角度楔块、超声换能器、数据采集卡构成的应力检测系统，所述方法包括：
通过向碳纤维复合板材发射超声波，获取在所述碳纤维复合板材表面激发临界折射纵波时的超声波入射角度；
根据所述超声波入射角度，将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域；
根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型；
通过所述应力检测系统对所述碳纤维复合板材的待检测区域进行检测，根据超声波的传播声时和所述应力检测模型计算所述待检测区域的应力状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述变角度楔块与所述超声换能器固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域包括：
采用两个变角度楔块和两个超声换能器分别固定于所述碳纤维复合板材的待检测区域，其中一组超声换能器和变角度楔块接收来自脉冲激励卡的脉冲波，按照所述超声波入射角度向所述碳纤维复合板材发射超声波，另一组超声换能器和变角度楔块接收由所述碳纤维复合板材中传出的波形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述变角度楔块、所述超声换能器、所述碳纤维复合板材的待检测区域的表面分别采用耦合剂进行耦合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，确定应力检测模型包括：
根据所述碳纤维复合板材的材质与铺层，对所述碳纤维复合板材进行拉伸试验，得到不同应力下的超声波传播声时；
根据所述不同应力下的超声波传播声时，确定所述碳纤维复合板材的应力检测模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以使得超声波在所述碳纤维复合板材的传播方向与所述碳纤维复合板材中的其中一个纤维方向平行的方式，固定所述变角度楔块。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合板材的厚度大于5mm，且板材表面无特殊处理。
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