CN114878047B - 一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法，属于无损检测领域。将被测金属板固定于水槽中，通过水浸式扫描系统控制激励与接收探头步进移动，使两基频信号在金属板上不同位置处发生混频相互作用，以此对金属板中残余应力进行扫查检测。计算各检测位置的混频非线性系数，通过非线性系数表征金属板中残余应力。本发明采用的水浸式检测系统，避免了人为因素与耦合不稳定带来的影响，检测结果可靠性更高；采用的兰姆波共线混频检测方法，对金属板结构中残余应力的大小变化较为敏感，可以通过非线性系数对残余应力进行较为准确的表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法，适用于金属板中残余应力的表征，属于无损检测领域。
背景技术
金属板结构作为一种常见的结构形式，被广泛应用于各类重大基础设施中。金属板结构生产制造过程中的机械加工与强化工艺，会造成残余应力的产生。残余应力多数情况下是有害的，对金属结构的各种性能有很大影响，在不适当的处理或加工后，残余应力可能会引起金属结构的扭曲变形甚至开裂。因此，金属板结构中残余应力的检测对结构性能评估和失效预防十分重要。
非线性超声检测技术因其对材料形变以及材料性能退化造成的微结构变化十分敏感而被广泛关注。材料的微结构变化过程会伴随残余应力的产生，且残余应力大小与微结构变化程度呈线性关系，所以有望使用非线性超声检测技术实现结构中残余应力的检测。目前常用的非线性超声检测方法有谐波法与混频法。Liu等[Liu M,Kim J Y,Jacobs L,et al.Experimental study of nonlinear Rayleigh wave propagation in shot-peened aluminum plates—feasibility of measuring residual stress[J].NDT&EInternational,2011,44(1):67-74.]使用表面波的二次谐波对不同强度喷丸处理后的铝板表面残余应力进行了检测，发现非线性系数随试件中残余应力的增大而增大。虽然谐波检测技术可以实现金属板中残余应力的检测，但检测结果受系统自身非线性影响较大。
与谐波检测技术相比，混频检测技术利用两列不同频率的基频信号混频产生的和频或差频波，对结构应力状况进行评估，避免了实验系统自身产生的谐波对检测结果的影响。焦敬品等[焦敬品,成全.一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法[P].北京市：CN110108402A,2019-08-09.]采用兰姆波共线混频方法，通过改变激励信号的激励时延，对试件不同位置进行扫查检测，实现了对金属板应力分布情况的测量。虽然兰姆波混频检测技术对金属板结构中的应力变化十分敏感，但目前常用的混频检测系统多为接触式系统，检测结果受耦合条件及人为因素影响较大。
与常规接触式检测系统相比，水浸式检测系统受人为因素影响小，探头位移与偏转角度可通过电机精确控制，且探头与试件间的耦合始终保持稳定。因此，使用水浸式检测系统获得的结果可靠性更高、可重复性更好。Jonathan等[Alston J,Croxford A,PotterJ,et al.Nonlinear non-collinear ultrasonic detection and characterisationofkissing bonds[J].NDT&E International,2018,99:105-116.]利用一套水浸式体波混频实验系统进行了检测参数优选实验，并实现了对水平粘结层的水浸式混频检测。然而，该水浸式混频检测系统基于体波混频而设计，目前还鲜见适用于兰姆波混频的水浸式检测系统。
综上所述，鉴于混频检测技术对结构中残余应力变化的敏感性以及水浸式兰姆波混频检测系统的需求，本专利基于兰姆波共线混频技术，提出一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法。将被测金属板固定在水槽中，通过水浸式扫描系统控制激励与接收探头步进移动，使两基频信号在金属板上的不同位置处发生混频相互作用，以此对被测试件进行扫查检测。计算各个检测位置的非线性系数，通过非线性系数来表征金属板上各位置的残余应力。
本发明提出的一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法，其基本原理在于：
材料各向同性且均匀的固体结构中的波动方程可描述为：
式中ρ0——材料质量密度；
ui——位移矢量；
σij——应力张量。
当固体结构发生微小形变时，材料中的应力应变关系可表示为：
其中，
式中——材料中残余应力；
——材料微形变后的二阶弹性常数；
——材料微形变后的三阶弹性常数。
基于五常弹性理论，将式(2)带入式(1)，得到固体结构中的非线性波动方程：
式中Fi为非线性驱动项，由于该非线性驱动项的存在，介质中两列超声波相遇后会发生非线性相互作用，产生谐波、混频等非线性效应。
式(5)中的非线性波动方程还可以表示为：
其中，β为非线性系数，可表示为：
式中——二阶弹性常数；
——三阶弹性常数；
——材料中残余应力。
非线性系数β与结构形变之间的确切关系十分复杂，但整体上非线性系数随结构形变程度的增大而增大。而残余应力的大小又与结构形变程度成正比关系，所以可以通过测量非线性系数β对材料中的残余应力进行评估。
本发明的技术方案如下：
本发明所采用的水浸式兰姆波共线混频检测系统示意图参见图1，该系统包括计算机、SNAP-5000非线性超声测试设备、水浸式扫描架、水浸激励探头、水浸接收探头、前置放大器以及示波器。将计算机与SNAP-5000非线性超声测试设备相连，用于控制信号的激励接收以及参数设置。将计算机与水浸式扫描架进行通信，并在水浸式扫描架上安装水浸激励、接收探头，用于控制信号激励及接收的位置与角度。将SNAP-5000非线性超声测试设备与水浸激励探头相连，用于在水中激励信号。混频检测信号通过水浸接收探头接收，经前置放大器放大后传回SNAP-5000非线性超声测试设备，通过示波器显示并存储检测信号。
本发明提出的一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测方法是通过以下步骤实现的：
(1)将被测金属板垂直于水槽底面固定在水浸式扫描架水槽中，激励与接收探头位于金属板同侧，距离金属板上表面60mm，调整两探头高度使其与金属板上的第一条检测路径位于同一水平面内。
(2)绘制兰姆波“频率-波数”曲线，根据兰姆波混频谐振条件ka+b＝ka+kb、ωa+b＝ωa+ωb选择用于兰姆波共线混频检测的两个基频激励信号ωa以及ωb。考虑两基频激励信号长度匹配的条件下，确定两基频信号的激励周期N1、N2。
(3)根据瑞利角公式θ＝arcsin(vwl/vp)设置激励与接收探头的偏转角度，式中vwl为水中纵波波速，vp为兰姆波相速度。将信号从被激励到被接收期间，在金属板上传播的距离定义为检测区域，通过调整激励与接收探头间距来设置检测区域大小s＝50mm。
(4)在保持检测区域大小不变的情况下通过水浸式扫描架移动激励与接收探头，使检测区域中心位于检测路径上第一个检测位置处。使用SNAP-5000非线性超声测试设备，按照(2)中选择的频率与周期数激励两列基频信号，通过接收探头接收混频检测信号，完成第一个位置的兰姆波共线混频检测。
(5)通过水浸式扫描架控制激励与接收探头向同一方向步进Δx＝10mm，进行检测路径上第二个位置的兰姆波共线混频检测。
(6)重复步骤(5)，直到检测区域中心位于检测路径上最后一个检测位置处，完成被测试件第一条检测路径上所有检测位置的兰姆波共线混频检测。
(7)改变激励与接收探头水平高度，使两探头与被测试件上其它检测路径位于同一水平面内，重复步骤(4)～(6)，完成被测试件上其它检测路径的扫查检测。
(8)对各检测位置的混频检测信号进行处理，提取各位置检测信号频谱中两个基频分量的幅值A1、A2以及和频分量的幅值A3，根据公式β＝A3/(A1·A2)计算各检测位置的混频非线性系数β，绘制非线性系数随检测位置变化的曲线。
非线性系数变化曲线可表征被测试件中残余应力的分布情况。
本发明具有以下优点：(1)水浸式检测系统极大减少了人为因素的影响且精度更高、耦合更稳定；(2)兰姆波共线混频检测技术对金属板结构中残余应力大小的变化十分敏感，可对残余应力进行准确表征。
附图说明
图1水浸式兰姆波共线混频检测系统示意图。
图2被测试件及检测位置示意图。
图3被测试件兰姆波“波数-频率”曲线。
图4探头及试件位置关系图。
图5混频检测信号波形及频谱。
图中(a)、(b)分别对应时域波形与频谱。
图6金属板中残余应力分布情况检测结果。
图中(a)、(b)、(c)分别对应区域A、B、C。
具体实施方式
下面结合具体实验对本发明作进一步说明：
本实验实施过程包括以下步骤：
按照图1搭建水浸式兰姆波共线混频检测系统，该系统包括计算机、SNAP-5000非线性超声测试设备、水浸式扫描架、水浸激励探头、水浸接收探头、前置放大器以及示波器。将计算机与SNAP-5000非线性超声测试设备相连，用于控制信号的激励接收以及参数设置。将计算机与水浸式扫描架进行通信，并在水浸式扫描架上安装水浸激励、接收探头，用于控制信号激励及接收的位置与角度。将SNAP-5000非线性超声测试设备与水浸激励探头相连，用于在水中激励信号。混频检测信号通过水浸接收探头接收，经前置放大器放大后传回SNAP-5000非线性超声测试设备，通过示波器显示并存储检测信号。
被测试件为一尺寸300mm×200mm×3mm的45Mn钢板，在试件长边的中间位置包含一个长200mm、宽75mm大小的铣削区，铣削区将试件分为A、B、C三个区域，每个区域的应力分布情况各不相同。沿试件短边方向，在每个区域中线的30mm至170mm范围内，每隔10mm选取一个检测位置。被测试件及检测位置示意图如图2所示。
S1、将金属板垂直于水槽底面固定在水槽中，激励与接收探头位于金属板同侧，距金属板上表面60mm。调整两探头水平高度，使两探头与区域A中的检测路径位于同一水平面内。
S2、绘制3mm厚45Mn钢板的兰姆波“波数-频率”曲线，如图3所示。根据兰姆波混频谐振条件设置两激励信号频率ωa、ωb分别为0.41MHz与0.58MHz，信号周期数N1、N2分别为20与30。
S3、根据瑞利角公式计算结果，设置激励与接收探头的偏转角度θT、θR分别为16.64°与25.77°。调整激励与接收探头间距d＝97mm，此时检测区域s大小为50mm，在保持检测区域大小不变的情况下移动两探头，使检测区域的中心位于金属板A区域检测路径上第一个检测位置(x＝30mm)处，探头与被测金属板的空间关系如图所4示。
S4、使用中心频率分别为0.5MHz与1MHz的水浸探头作为激励与接收探头，使用SNAP-5000非线性超声测试设备，按照步骤3中的频率与周期数激励信号，通过接收探头接收混频检测信号，进行区域A检测路径上第一个检测位置的兰姆波共线混频检测。
S5、使用水浸式扫描架控制激励与接收探头共同向x轴正半轴方向移动Δx＝10mm，进行区域A检测路径上第二个位置的检测。
S6、重复步骤5，直到检测区域s的中心位于区域A检测路径上最后一个检测位置(x＝170mm)处，完成A区域检测路径上所有检测位置的兰姆波共线混频扫查检测。
S7、调整激励与接收探头的水平高度，使两探头与区域B、C中的检测路径处于同一水平面内。按照上述对区域A中各检测位置的扫查检测方法，完成对区域B、C内各检测位置的检测。
S8、对三个区域内各个检测位置的混频检测信号进行傅里叶变换，典型的检测信号波形及频谱如图5(a)、(b)所示。提取各位置检测信号频谱中两个基频分量的幅值A1、A2以及和频分量的幅值A3，根据公式β＝A3/(A1·A2)计算各检测位置的混频非线性系数β，绘制A、B、C三个区域内混频非线性系数随检测位置变化曲线，如图6(a)～6(c)所示。残余应力越大的位置其混频非线性系数也越大，非线性系数变化曲线可表征被测区域内的应力分布情况。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。
Claims (1)
1.一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统，其特征在于：该系统包括计算机、SNAP-5000非线性超声测试设备、水浸式扫描架、水浸激励探头、水浸接收探头、前置放大器以及示波器；将计算机与SNAP-5000非线性超声测试设备相连，用于控制信号的激励接收以及参数设置；将计算机与水浸式扫描架进行通信，并在水浸式扫描架上安装水浸激励、接收探头，用于控制信号激励及接收的位置与角度；将SNAP-5000非线性超声测试设备与水浸激励探头相连，用于在水中激励信号；混频检测信号通过水浸接收探头接收，经前置放大器放大后传回SNAP-5000非线性超声测试设备，通过示波器显示并存储检测信号；
该系统的实施方法是通过以下步骤实现的，
(1)将被测金属板垂直于水槽底面固定在水浸式扫描架水槽中，激励与接收探头位于金属板同侧，距离金属板上表面60mm，调整激励与接收两探头高度使其与金属板上的第一条检测路径位于同一水平面内；
(2)绘制兰姆波“频率-波数”曲线，根据兰姆波混频谐振条件ka+b＝ka+kb、ωa+b＝ωa+ωb选择用于兰姆波共线混频检测的两个基频激励信号ωa以及ωb；考虑两基频激励信号长度匹配的条件下，确定两基频信号的激励周期N1、N2；
(3)根据瑞利角公式θ＝arcsin(vwl/vp)设置激励与接收探头的偏转角度，式中vwl为水中纵波波速，vp为兰姆波相速度；将信号从被激励到被接收期间，在金属板上传播的距离定义为检测区域，通过调整激励与接收探头间距来设置检测区域大小s＝50mm；
(4)在保持检测区域大小不变的情况下通过水浸式扫描架移动激励与接收探头，使检测区域中心位于检测路径上第一个检测位置处；使用SNAP-5000非线性超声测试设备，按照步骤(2)中选择的频率与周期数激励两列基频信号，通过接收探头接收混频检测信号，完成第一个位置的兰姆波共线混频检测；
(5)通过水浸式扫描架控制激励与接收探头向同一方向步进Δx＝10mm，进行检测路径上第二个位置的兰姆波共线混频检测；
(6)重复步骤(5)，直到检测区域中心位于检测路径上最后一个检测位置处，完成被测试件第一条检测路径上所有检测位置的兰姆波共线混频检测；
(7)改变激励与接收探头水平高度，使两探头与被测试件上其它检测路径位于同一水平面内，重复步骤(4)～(6)，完成被测试件上其它检测路径的扫查检测；
(8)对各检测位置的混频检测信号进行处理，提取各位置检测信号频谱中两个基频分量的幅值A1、A2以及和频分量的幅值A3，根据公式β＝A3/(A1·A2)计算各检测位置的混频非线性系数β，绘制非线性系数随检测位置变化的曲线；
非线性系数变化曲线表征被测试件中残余应力的分布情况；
材料各向同性且均匀的固体结构中的波动方程描述为：
式中ρ0——材料质量密度；
ui——位移矢量；
σij——应力张量；
当固体结构发生微小形变时，材料中的应力应变关系表示为：
其中，
式中——材料中残余应力；
——材料微形变后的二阶弹性常数；
——材料微形变后的三阶弹性常数；
基于五常弹性理论，将式(2)带入式(1)，得到固体结构中的非线性波动方程：
式中Fi为非线性驱动项，由于该非线性驱动项，介质中两列超声波相遇后会发生非线性相互作用，产生谐波、混频非线性效应；
式(5)中的非线性波动方程表示为：
其中，β为非线性系数，表示为：
式中——二阶弹性常数；
——三阶弹性常数；
——材料中残余应力；
通过测量非线性系数β对材料中的残余应力进行评估。
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| Title |
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| 金属板中残余应力水浸式兰姆波共线混频检测;张赫等;《北京力学会第二十八届学术年会论文集（上）》;第325-327页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114878047A (zh) | 2022-08-09 |
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Legal Events
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