本發(fā)明涉及一種材料平面應力檢測裝置。

背景技術：

近年來，隨著材料科學的發(fā)展進步，大量的先進材料在各個領域得到了廣泛應用。然后先進材料往往不同于傳統(tǒng)的金屬材料，大多是由不同組分結合而成的，這就使得材料呈現(xiàn)出各向異性的性質。

傳統(tǒng)用于應力檢測的超聲方法主要采用一發(fā)一收或者自發(fā)自收的方式，檢測的是超聲波傳播聲程間的平均應力，沒有考慮垂直傳播方向所受應力對檢測信號的影響，也沒有考慮材料各向異性對超聲波傳播的影響，因此測量精度不高，說服力不強。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有應力檢測方法測量精度不高的問題，基于各向異性三向法原理，采用臨界折射縱波作為檢測波源，輔以信號發(fā)生器、數(shù)字示波器等模塊，提供了一種測量各向異性材料平面應力的裝置。

本發(fā)明測量各向異性材料平面應力的裝置主要包括超聲換能器組、超聲斜入射楔塊、信號發(fā)生器、數(shù)字示波器和分析處理軟件。

所述超聲斜入射楔塊根據(jù)斯涅耳定律設計而成，外形為正八邊形，可用檢測方向為0°、45°、90°和135°，材質為聚四氟乙烯，斜入射角為34°，可在被測材料內部激發(fā)臨界折射縱波。

所述超聲換能器組包括第一超聲縱波激發(fā)探頭、第二超聲縱波激發(fā)探頭、第三超聲縱波激發(fā)探頭、第一超聲縱波接收探頭、第二超聲縱波接收探頭和第三超聲縱波接收探頭，六個探頭均與超聲斜入射楔塊固定連接，所述第一超聲縱波激發(fā)探頭和第一超聲縱波接收探頭處于豎直方向對應放置，所述第二超聲縱波激發(fā)探頭和第二超聲縱波接收探頭處于與豎直方向呈45°角對應放置，所述第三超聲縱波激發(fā)探頭和第三超聲縱波接收探頭處于水平方向對應放置，分別組成三組一發(fā)一收超聲信號回路。

所述第一超聲縱波激發(fā)探頭、第二超聲縱波激發(fā)探頭和第三超聲縱波激發(fā)探頭分別與信號發(fā)生器通過信號線連接；用于激發(fā)任意波形的激勵信號，具有多個激勵信號輸出通道，輸出激勵信號的同時輸出同步信號；

所述第一超聲縱波接收探頭、第二超聲縱波接收探頭和第三超聲縱波接收探頭分別與數(shù)字示波器通過信號線連接；用于采集臨界折射縱波波形，具有高采樣頻率及多個數(shù)字通道，通過接受同步信號實現(xiàn)與信號發(fā)生器的時間同步；

所述信號發(fā)生器與數(shù)字示波器連接；

所述分析處理軟件與所述數(shù)字示波器連接。所述分析處理軟件基于所述數(shù)字示波器研發(fā)，通過讀取同步信號與臨界折射縱波波形，可分析得到縱波的傳播聲時與聲時差。

進一步的，所述超聲斜入射楔塊的材質為聚四氟乙烯。

進一步的，所述超聲斜入射楔塊的中心鑲嵌釹鐵硼磁鐵，用于將楔塊固定在待測材料表面。

進一步的，所述六個探頭與超聲斜入射楔塊的固定連接方式為螺紋連接。

進一步的，為得到沿被測材料次表面?zhèn)鞑サ呐R界折射縱波，需先根據(jù)斯涅耳定律設計斜入射楔塊，設計內容包括楔塊材料、入射角度和傳播聲程。

所述超聲斜入射楔塊斜入射角的確定方法具體為：

一、準備無應力狀態(tài)的復合材料層合板試樣作為待測材料，沿待測材料測量與纖維方向呈0-90°的方向縱波的傳播速度，即為待測材料的聲速V_L2；

二、根據(jù)斯涅耳定律及步驟一測得的縱波的傳播速度，按照公式V_L1sinθ₂＝V_L2sinθ₁，令θ₂＝90°，計算得到所需斜入射楔塊的入射角θ₁＝arcsin(V_L1/V_L2)，使其能夠激發(fā)臨界折射縱波；

其中V_L1為斜入射楔塊的聲速，V_L2為待測材料的聲速，θ₁為斜入射楔塊的入射角、θ₂為待測材料的臨界折射角。

本發(fā)明的工作原理是：

超聲波在固體中的傳播速度與其所受應力具有線性關系。然而對于各向異性材料，超聲波的傳播規(guī)律不僅與受力狀態(tài)有關，還與材料本身的各向異性取向方向有關。傳統(tǒng)超聲檢測方法沒有考慮材料本身各向異性的影響，這樣勢必會造成不可忽視的測量誤差。本發(fā)明裝置工作原理在傳統(tǒng)原理基礎上，引入影響超聲波傳播的各向異性聲應力系數(shù)，得到檢測信號聲時差與材料所受應力間的關系，如下式，

B＝K₁σ₁+K₂σ₂

K₁＝m₁(cos2θ+cos2ω)+m₂+m₃cos2θcos2ω+m₄sin2θsin2ω

K₂＝-m₁(cos2θ-cos2ω)+m₂-m₃cos2θcos2ω-m₄sin2θsin2ω

其中B為臨界折射縱波在材料中傳播的聲時差，ω為檢測方向與材料主方向的夾角，m₁、m₂、m₃、m₄為各向異性聲應力系數(shù)，σ₁為被測材料所受的第一主應力、σ₂為被測材料所受的第二主應力、θ為第一主應力σ₁與材料主方向的夾角。

式中各向異性聲應力系數(shù)與材料特性有關，需要選取待測材料無應力試塊進行單向拉伸實驗來標定。根據(jù)本發(fā)明裝置標定完善的聲時差-應力關系式，以及本發(fā)明裝置測量得到的所需方向的聲時差信號，即可計算得到被測材料所受應力狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明裝置考慮到了材料的不均勻性、織構取向性等各向異性，本裝置可適用于各向異性復合材料平面應力的檢測，具有測量效率高、精度高、操作簡便、安全可靠的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量各向異性材料平面應力的裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例一設計的測量復合材料層合板不同方向聲速的試樣；

圖3為本發(fā)明實施例一實際檢測示意圖；

圖4為本發(fā)明方法實施例中所用十字雙向拉伸試樣尺寸示意圖；

圖5為試驗三中待測材料單向拉伸標定實驗示意圖；

圖6為試驗三中待測材料平面應力檢測示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。

具體實施方式一：結合圖1說明本實施方式，本實施方式測量各向異性材料平面應力的裝置包括超聲換能器組、超聲斜入射楔塊2、信號發(fā)生器3、數(shù)字示波器4和分析處理軟件5；

所述超聲斜入射楔塊2的形狀為正八邊形，斜入射角為34°，

所述超聲換能器組包括第一超聲縱波激發(fā)探頭11、第二超聲縱波激發(fā)探頭12、第三超聲縱波激發(fā)探頭13、第一超聲縱波接收探頭14、第二超聲縱波接收探頭15和第三超聲縱波接收探頭16，六個探頭均與超聲斜入射楔塊2固定連接，所述第一超聲縱波激發(fā)探頭11和第一超聲縱波接收探頭14處于豎直方向對應放置，所述第二超聲縱波激發(fā)探頭12和第二超聲縱波接收探頭15處于與豎直方向呈45°角對應放置，所述第三超聲縱波激發(fā)探頭13和第三超聲縱波接收探頭16處于水平方向對應放置，分別組成三組一發(fā)一收超聲信號回路；

所述第一超聲縱波激發(fā)探頭11、第二超聲縱波激發(fā)探頭12和第三超聲縱波激發(fā)探頭13分別與信號發(fā)生器3通過信號線連接；

所述第一超聲縱波接收探頭14、第二超聲縱波接收探頭15和第三超聲縱波接收探頭16分別與數(shù)字示波器4通過信號線連接；

所述信號發(fā)生器3與數(shù)字示波器4連接，實現(xiàn)信號同步；

所述分析處理軟件5與所述數(shù)字示波器4連接。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述超聲斜入射楔塊2的材質為聚四氟乙烯。其它與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述超聲斜入射楔塊2的中心鑲嵌釹鐵硼磁鐵7。其它與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述超聲斜入射楔塊斜入射角的確定方法具體為：

一、準備無應力狀態(tài)的復合材料層合板試樣作為待測材料，沿待測材料測量與纖維方向呈0-90°的方向縱波的傳播速度，即為待測材料的聲速V_L2；

二、根據(jù)斯涅耳定律及步驟一測得的縱波的傳播速度，按照公式V_L1sinθ₂＝V_L2sinθ₁，令θ₂＝90°，計算得到所需斜入射楔塊的入射角θ₁＝arcsin(V_L1/V_L2)，使其能夠激發(fā)臨界折射縱波；

其中V_L1為斜入射楔塊的聲速，V_L2為待測材料的聲速，θ₁為斜入射楔塊的入射角、θ₂為待測材料的臨界折射角。其它與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：六個探頭與超聲斜入射楔塊2的固定連接方式為螺紋連接。其它與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式利用測量各向異性材料平面應力的裝置進行平面應力檢測的方法為：

一、準備無應力狀態(tài)的復合材料層合板試樣作為待測材料；

二、將超聲斜入射楔塊置于待測材料表面，并使用釹鐵硼磁鐵磁力固定，為降低超聲波的衰減，在楔塊與材料接觸面處均勻涂抹液體耦合劑。設計4組單向拉伸標定實驗，選擇4組標定方向，對待測材料進行單向拉伸，利用測量各向異性材料平面應力的裝置，測量每組在單向拉伸荷載下的聲時差，代入以下公式中，分別得到4組聲時差-應力曲線；

B＝K₁σ₁+K₂σ₂，

其中K₁＝m₁(cos2θ+cos2ω)+m₂+m₃cos2θcos2ω+m₄sin2θsin2ω，

K₂＝-m₁(cos2θ-cos2ω)+m₂-m₃cos2θcos2ω-m₄sin2θsin2ω，

B為檢測信號聲時差，σ₁為被測材料所受的第一主應力、σ₂為被測材料所受的第二主應力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應力系數(shù)，θ為第一主應力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測方向與材料主方向的夾角；

三、對步驟二中的聲時差-應力曲線進行線性擬合，分別得到四組聲應力系數(shù)組合表達式及數(shù)值；

B_i＝k_i(m₁,m₂,m₃,m₄)σ,i＝1,2,3,4

其中B_i為每組單向標定實驗測得的聲時差、k_i為每組聲時差-應力曲線線性擬合系數(shù)(斜率)、σ為單向拉伸應力載荷；

四、聯(lián)立四組表達式，求解聲應力系數(shù)m₁、m₂、m₃和m₄，再代入步驟二的公式中，即可得到各向異性材料中聲時差信號與平面主應力的關系式；

五、另準備與步驟一所述材料相同材質的復合材料層合板作為待測材料，使用本發(fā)明裝置進行待測材料在平面應力狀態(tài)下的測量。同樣地，將超聲斜入射楔塊通過磁鐵固定在涂抹有液體耦合劑的待測材料表面，分別記錄下0°、45°和90°三個方向的臨界折射縱波聲時差，代入步驟四得到的關系式，將得到對三組關系式聯(lián)立，即可求得平面主應力大小σ₁、σ₂和方向θ。

下面對本發(fā)明的實施例做詳細說明，以下實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方案和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例一：

如圖1所示，本實施例測量各向異性材料平面應力的裝置包括超聲換能器組、超聲斜入射楔塊2、信號發(fā)生器3、數(shù)字示波器4和分析處理軟件5；

所述超聲斜入射楔塊2的形狀為正八邊形，斜入射角為34°，所述超聲斜入射楔塊2的材質為聚四氟乙烯，所述超聲斜入射楔塊2的中心鑲嵌釹鐵硼磁鐵；

所述超聲換能器組包括第一超聲縱波激發(fā)探頭11、第二超聲縱波激發(fā)探頭12、第三超聲縱波激發(fā)探頭13、第一超聲縱波接收探頭14、第二超聲縱波接收探頭15和第三超聲縱波接收探頭16，六個探頭均與超聲斜入射楔塊2螺紋連接，所述第一超聲縱波激發(fā)探頭11和第一超聲縱波接收探頭14處于豎直方向對應放置，所述第二超聲縱波激發(fā)探頭12和第二超聲縱波接收探頭15處于與豎直方向呈45°角對應放置，所述第三超聲縱波激發(fā)探頭13和第三超聲縱波接收探頭16處于水平方向對應放置，分別組成三組一發(fā)一收超聲信號回路；

所述第一超聲縱波激發(fā)探頭11、第二超聲縱波激發(fā)探頭12和第三超聲縱波激發(fā)探頭13分別與信號發(fā)生器3通過信號線連接；

所述第一超聲縱波接收探頭14、第二超聲縱波接收探頭15和第三超聲縱波接收探頭16分別與數(shù)字示波器4通過信號線連接；

所述信號發(fā)生器3與數(shù)字示波器4連接，實現(xiàn)信號同步；

所述分析處理軟件5與所述數(shù)字示波器4連接。

利用本裝置進行以下試驗：

試驗一：

待檢測材料為碳纖維增強樹脂基復合材料，碳纖維型號為T700，樹脂型號為BA9916，設計十字雙向拉伸試樣，取樣時纖維方向與F₁夾角為θ＝0°，試樣尺寸如圖4所示。兩個方向載荷為F₁，F(xiàn)₂，分別以1:1、2:1、3:1和4:1比例進行雙向加載。十字拉伸試樣中心區(qū)域的平面應力狀態(tài)測量過程如下：

(1)使用待測材料制備如圖2所示聲速檢測試樣，使用一發(fā)一收雙探頭模式分別測量0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七個方向的聲速，數(shù)據(jù)列于表1；

(2)根據(jù)斯涅耳定律及測得的縱波速度，計算臨界折射角，設計斜入射楔塊，使其能夠激發(fā)臨界折射縱波，如下表所示：

表1被測材料不同方向聲速及楔塊設計

(3)設計4組單向拉伸標定實驗，選擇4組標定方向，對待測材料進行單向拉伸，利用測量各向異性材料平面應力的裝置，測量每組在單向拉伸荷載下的聲時差，代入以下公式中，分別得到4組聲時差-應力曲線；

B＝K₁σ₁+K₂σ₂，

其中K₁＝m₁(cos2θ+cos2ω)+m₂+m₃cos2θcos2ω+m₄sin2θsin2ω，

K₂＝-m₁(cos2θ-cos2ω)+m₂-m₃cos2θcos2ω+m₄sin2θsin2ω，

B為檢測信號聲時差，σ₁為被測材料所受的第一主應力、σ₂為被測材料所受的第二主應力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應力系數(shù)，θ為第一主應力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測方向與材料主方向的夾角。

測量各向異性材料平面應力的裝置的結構示意圖如圖5所示，標定方向如表2所示；利用測量各向異性材料平面應力的裝置，測量聲時差的方法為：將裝置中的超聲斜入射楔塊2置于待測材料表面，并使用釹鐵硼磁鐵將超聲斜入射楔塊2磁力固定，在超聲斜入射楔塊2與材料接觸面處均勻涂抹液體耦合劑。

(4)對聲時差-應力曲線進行線性擬合，分別得到四組聲應力系數(shù)組合表達式及數(shù)值，如表2所示；

(5)聯(lián)立四組表達式，求解聲應力系數(shù)m₁,m₂,m₃,m₄，即可得到各向異性材料中聲時差信號與平面主應力的關系式B＝K₁σ₁+K₂σ₂；

表2聲應力系數(shù)的標定及計算

(6)待檢測試樣尺寸如圖4所示，十字雙向拉伸，兩個方向載荷為F₁，F(xiàn)₂，纖維方向與F₁夾角為θ＝0°，分別以1:1、2:1、3:1和4:1比例進行雙向加載。

需沿與材料主方向(通常為纖維方向)呈ω₁、ω₂、ω₃角的三個不同方向進行測量，分別得到相應的聲時差。如圖3所示，分別檢測沿被測材料表面三個不同方向ω₁＝0°、ω₂＝90°、ω₃＝45°對應的聲時差值B₁、B₂、B₃，代入公式B＝K₁σ₁+K₂σ₂并聯(lián)立，即可求得平面主應力大小σ₁、σ₂和方向θ，結果列于下表。

表3復合材料平面應力檢測結果

試驗二：

待檢測材料與試驗一相同，取樣時纖維方向與F₁夾角為θ＝30°，試樣尺寸同樣如圖4所示。同樣地，分別以1:1、2:1、3:1和4:1比例進行雙向加載。操作步驟與試驗一相同。分別檢測沿被測材料表面三個不同方向ω₁＝0°、ω₂＝90°、ω₃＝45°對應的聲時差值B₁、B₂、B₃，代入公式B＝K₁σ₁+K₂σ₂并聯(lián)立，即可求得平面主應力大小σ₁、σ₂和方向θ，結果列于下表。

表4復合材料平面應力檢測結果

試驗三：

待測材料為碳纖維樹脂基復合材料，碳纖維型號為T700，樹脂型號為BA9916，采用單向纖維鋪層。測試前，首先準備待測材料無應力標定試樣，分別沿纖維θ＝0°和45°方向制備單向拉伸試樣，每個拉伸試樣進行0°和90°方向聲時差的檢測，畫好檢測區(qū)域定位線。使用本實施例裝置測量碳纖維樹脂基復合材料的過程如下：

使用本發(fā)明裝置進行待測材料無應力試塊的單向拉伸標定實驗，標定示意圖如圖5所示。將超聲斜入射楔塊2置于標定試塊表面，并使用釹鐵硼磁鐵7固定，為降低超聲波的衰減，在楔塊與材料接觸面處均勻涂抹液體耦合劑。使用萬能力學試驗機對單向拉伸標定試樣進行階梯加載，0°試樣以3KN為增量加載，45°試樣以0.5KN為增量加載，每個加載階梯保持10s用來進行聲時差測量。分別記錄下單向拉伸載荷下超聲臨界折射縱波在標定試樣中的傳播聲時差，如表5所示。經分析處理得到各向異性聲應力系數(shù)如式(2)所示，代入式(1)可得到完善的聲時差-應力關系；

表5單向拉伸標定實驗檢測結果

使用本發(fā)明裝置進行待測材料在平面應力狀態(tài)下的測量實驗，檢測示意圖如圖6所示，被測材料承受了未知的雙向拉伸載荷σ₁、σ₂。同樣地，將超聲斜入射楔塊通過磁鐵固定在涂抹有液體耦合劑的待測材料表面，分別使用數(shù)字示波器4記錄下ω＝0°、45°和90°三個方向的臨界折射縱波聲時差，代入經標定實驗完善后的式(1)并聯(lián)立求解，即可得到被測材料檢測區(qū)域的應力狀態(tài)。

表6碳纖維樹脂基復合材料平面應力檢測結果

由表6可知，被測材料所承受主應力為σ₁＝11.5MPa、σ₂＝9.5MPa，主應力σ₁與纖維鋪設方向夾角為-28.6°。