WO2020258565A1 - 一种复合材料表面应力超声测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料表面应力超声测量方法，属于超声检测技术领域。本方法首先设计和组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器。其次，将超声测量装置通过弹性联轴器（D）与机器人(C)末端相连接，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接。最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量。本方法设计和组装了可变入射角超声测量装置，通过超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性。装置简单紧凑，提高了测量空间分辨率。本方法可满足面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求，实现机器人(C)辅助的表面应力超声自动扫描测量。

Description

一种复合材料表面应力超声测量方法 技术领域
本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种复合材料表面应力超声测量方法。
背景技术
复合材料具有比重小、比强度和比模量大等优点，广泛应用于航空航天等重要工业领域。然而，复合材料在生产制造及应用过程中，极易受温度、化学收缩和装配等影响，在复合材料表面产生残余应力，严重制约着零件的安全使役寿命，残余应力无损测量对评估复合材料性能具有重要意义。残余应力无损测量方法包括X射线衍射法，拉曼光谱法和超声法等，超声法具有装置简单、成本低、适用范围广等优点，是面向制造现场环境复合材料残余应力检测的有效手段。
基于临界折射纵波的检测方法对应力变化敏感性高，广泛应用于应力超声检测领域。临界折射纵波造波方法满足Snell定律，然而，复合材料声速传播具有严重各向异性，超声不同传播方向具有不同的传播速度，因此，为获得不同方向应力状态需要多组不同入射角度测量装置，花费巨大，且测量期间频繁拆卸，过程繁琐，难以保证测量过程中不同装置的测量重复性。通过装置设计，形成可变入射角度，以适应复合材料超声传播速度的各向异性，实现面向制造现场环境的复合材料表面应力测量。
2016年，刘菲菲等在发明专利CN201410275857.4中公开了“一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法”，该方法采取左声束和右声束零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，直接接收来自被测复合材料零件中的声发射信号，然而，该方法主要应用于复合材料缺陷检测；2017年，张宇民等在发明专利CN201710154020.8中公开了“一种测量各向异性材料平面应力的装置”，该方法基于各向异性三向法，设计了正八边形的超声斜入射楔块，采用六个超声换能器组成三个“一发一收”结构形式，但是，该测量装置体积大且昂贵，测量空间分辨率低。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是克服现有方法的不足，面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求，发明了一种复合材料表面应力超声测量 方法。该方法中，创新设计了可变入射角超声测量装置，实现了超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性，只需一个发射探头和一个接收探头便可以测量任意方向超声传播速度。将可变入射角超声测量装置集成至机器人末端连接，可实现表面应力超声自动扫描测量。
本发明采用的技术方案是一种复合材料表面应力超声测量方法，其特征是，首先，设计并组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器；其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接；然后，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接；最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量。
具体步骤如下：
第一步，设计并组装可变角度超声测量装置
采用的可变角度超声测量装置为“一发一收”结构形式，一发指发射探头1，一收指接收探头5；固定连接超声测量装置的发射端A与接收端B，保证每次测量过程中超声传播路径长度d相同；在滑动组件8上部加工安装发射探头1和接收探头5的螺纹孔2与紧固用圆通孔7，长螺钉6通过圆通孔7与基体部分摇杆螺纹11连接；加工滑动组件下部3与基体上部9，并保证两者曲率相等；参考基体分度线调节滑动组件8满足入射轴线a和接收轴线c与基面法线b成第一临界折射角φ θ，且三个轴线均在同一平面内，第一临界折射角φ θ满足如下条件，
Figure PCTCN2019108841-appb-000001
其中，v 1为超声波在基体4中的传播速度，v θ为超声波在被测材料12中的传播速度，θ为超声传播方向与纤维方向夹角。
第二步，基于机器人的超声测量功能集成
加工机器人末端长轴E与超声测量装置端长轴F，并通过弹性联轴器D与超声测量装置连接；示教与设计机器人C运动轨迹，优化机器人C测量时间；控制机器人C末端下降深度，保证超声测量装置与被测表面12充分接触。
发射探头1与脉冲发生器G相连接，示波器J与接收探头2相连接显示超声信号，并通过USB线I与PC端H连接采集并存储数据。
第三步，复合材料表面应力超声检测计算
首先，将超声测量装置放在参考点处，超声传播方向与纤维方向夹角为θ；根据第二步确定此时的第一临界折射角φ θ，通过紧固组件6调整与固定滑动组件8的位置；被测材料表面12产生临界折射纵波e；设置脉冲发生器G频率与增益；然后，通过机器人C控制，设置测量位置间隔距离，平移扫描测量并记录超声传播时间t θ；最后将声时t θ代入如下公式，计算获得固定距离d间的表面应力σ θ，
Figure PCTCN2019108841-appb-000002
式中，K θ为与纤维方向夹角为θ的声弹性系数，
Figure PCTCN2019108841-appb-000003
为与纤维方向夹角为θ测量距离d间无应力时的传播时间；实际测量中，声时
Figure PCTCN2019108841-appb-000004
与声弹性系数K θ需经过实验标定获得。
本发明的有益效果是该方法设计了可变入射角超声测量装置，实现了超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性，只需一个发射探头和一个接收探头便可以测量任意方向超声传播速度。并建立了一种复合材料表面应力超声适应测量方法，解决了复合材料超声传播速度各向异性问题，减少了探头的使用数量，提高了测量空间分辨率。采用弹性联轴器与机器人末端相连，装置简单紧凑，提高了测量空间分辨率。该方法可满足面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求。实现了机器人辅助的表面应力超声自动扫描测量。
附图说明
附图1-超声测量装置图；其中1-发射探头，2-螺纹孔，3-滑动组件下部，4-基体，5-接收探头，6-紧固组件，7-圆通孔，8-滑动组件，9-基体上部，10-固定连接块，11-摇杆，12-被测材料，a-入射轴线，b-基面法线，c-接收轴线，d-传播路径，e-临界折射纵波，A-发射端，B-接收端。
附图2-超声自动扫描系统图；C-机器人，D-弹性联轴器，E-机器人末端长轴，F-超声测量装置端长轴，G-脉冲发生器，H-PC端，I-USB线，J-示波器，1-发射探头，5-接收探头。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方案。
常温25℃条件下，超声纵波在基体中的传播速度为2586.43m/s，在T700碳纤维复合材料中沿纤维方向时有最大速度为8971.02m/s，垂直于纤维方向有最小速度为3638.4m/s，因此根据公式(1)可知第一临界折射角φ θ最大为45.31°，最小为16.76°。
变角度超声测量装置关键参数为：滑动组件8宽为20mm，基体组件4半径为14mm，装置发射端A与接收端B固定间隔距离为8mm，调节滑动组件8可实现入射轴线a和接收轴线c与基面法线b间的角度最大为70°，最小为0°，基体组件4分度划线间隔为5°，满足T700碳纤维复合材料第一临界折射角区间要求。
采用2.25MHz发射探头1与接收探头5，通过螺纹2沿入射轴线a与滑动组件8连接；紧固组件6通过滑动组件8的两侧圆通孔7与摇杆11螺纹连接，实现紧固功能；装置发射端A与接收端B间的固定连接块10中心加工直径6mm圆孔13，超声测量装置端长轴F与圆孔13配合并用胶粘；弹性联轴器D采用夹紧顶丝式，孔径为6mm×6mm，两端分别与机器人末端长轴E和超声测量装置端长轴F连接。
发射探头1与脉冲发生器G连接，接收探头5与示波器J连接，脉冲发生器G与示波器J连接实现信号同步，脉冲发生器G频率设置为2.25MHz，脉冲发生器G和示波器J均与PC端H连接实现信号处理与存储。
将复合材料制成拉伸件并在材料拉伸机进行阶梯形式拉伸，标定获得公式(2)中的声弹性系数K θ，测量与纤维方向夹角为θ测量距离d间无应力时的传播时间
Figure PCTCN2019108841-appb-000005
以及与纤维方向夹角为θ测量距离d间应力状态下的传播时间t θ，计算获得固定距离d间的表面应力σ θ。
本发明提出的复合材料表面应力超声适应测量方法解决了超声传播速度各向异性问题，装置简单紧凑，提高了测量空间分辨率；实现了机器人辅助的表面应力超声自动扫描测量。

Claims (1)

  1. 一种复合材料表面应力超声测量方法，其特征是，首先，设计和组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器；其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接；然后，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接；最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量；具体步骤如下：
    第一步，设计并组装可变角度超声测量装置
    采用的可变角度超声测量装置为“一发一收”结构形式，一发指发射探头(1)，一收指接收探头(5)；固定连接超声测量装置的发射端(A)与接收端(B)，保证每次测量过程中超声传播路径长度d相同；在滑动组件(8)上部加工安装发射探头(1)和接收探头(5)的螺纹孔(2)与紧固用圆通孔(7)，长螺钉(6)通过圆通孔(7)与基体部分摇杆螺纹(11)连接；加工滑动组件下部(3)与基体上部(9)，并保证两者曲率相等；参考基体分度线调节滑动组件(8)满足入射轴线a和接收轴线c与基面法线b成第一临界折射角φ θ，且三个轴线均在同一平面内，第一临界折射角φ θ满足如下条件：
    Figure PCTCN2019108841-appb-100001
    其中，v 1为超声波在基体(4)中的传播速度，v θ为超声波在被测材料(12)中的传播速度，θ为超声传播方向与纤维方向夹角；
    第二步，基于机器人的超声测量功能集成
    加工机器人末端长轴(E)与超声测量装置端长轴(F)，并通过弹性联轴器(D)与超声测量装置连接；示教与设计机器人(C)运动轨迹，优化机器人(C)测量时间；控制机器人(C)末端下降深度，保证超声测量装置与被测表面(12)充分接触；
    发射探头(1)与脉冲发生器(G)相连接，示波器(J)与接收探头(2)相连接显示超声信号，并通过USB线(I)与PC端(H)连接采集并存储数据；
    第三步，复合材料表面应力超声检测计算
    首先，将超声测量装置放在参考点处，超声传播方向与纤维方向夹角为θ；根据第二步确定此时的第一临界折射角φ θ，通过紧固组件(6)调整 与固定滑动组件(8)的位置；被测材料表面(12)产生临界折射纵波e；设置脉冲发生器(G)频率与增益；然后，通过机器人(C)控制，设置测量位置间隔距离，平移扫描测量并记录超声传播时间t θ；最后将声时t θ代入公式(2)，计算获得固定距离d间的表面应力σ θ：
    Figure PCTCN2019108841-appb-100002
    式中，K θ为与纤维方向夹角为θ的声弹性系数，
    Figure PCTCN2019108841-appb-100003
    为与纤维方向夹角为θ测量距离d间无应力时的传播时间；
    实际测量中，声时
    Figure PCTCN2019108841-appb-100004
    与声弹性系数K θ需经过实验标定获得。
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