本發(fā)明涉及一種材料平面應(yīng)力的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

目前對(duì)于材料中應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量，大致可分為有損和無(wú)損兩類。相較于有損方法，無(wú)損方法不會(huì)對(duì)被測(cè)材料造成不可逆的損害，因此具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。無(wú)損方法中，超聲法憑借其高效可靠、安全以及便攜等優(yōu)點(diǎn)，在眾多無(wú)損檢測(cè)方法中優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展尤為迅速。

傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法都是在假設(shè)被測(cè)材料是各向同性材料的前提下發(fā)展的，即忽視了材料的不均勻性、織構(gòu)取向性等各向異性。而對(duì)于目前的常用材料，各向異性是普遍存在的，它們或多或少的影響了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法的檢測(cè)準(zhǔn)確性。尤其是近些年來(lái)具有明顯各向異性的復(fù)合材料在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，材料各向異性對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果的影響無(wú)法再被忽視。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有應(yīng)力檢測(cè)方法測(cè)量精度不高的問(wèn)題，基于臨界折射縱波原理以及各向異性本構(gòu)關(guān)系，提出了一種測(cè)定復(fù)合材料中平面應(yīng)力的超聲檢測(cè)方法。

本發(fā)明測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的方法，包括以下步驟：

一、準(zhǔn)備無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)合材料層合板試樣作為待測(cè)材料；

二、設(shè)計(jì)4組單向拉伸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，選擇4組標(biāo)定方向，對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行單向拉伸，利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，測(cè)量每組在單向拉伸荷載下的聲時(shí)差，代入以下公式中，分別得到4組聲時(shí)差-應(yīng)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(cè)信號(hào)聲時(shí)差，σ₁為被測(cè)材料所受的第一主應(yīng)力、σ₂為被測(cè)材料所受的第二主應(yīng)力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應(yīng)力系數(shù)，θ為第一主應(yīng)力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測(cè)方向與材料主方向的夾角。理論上，θ與ω的選擇是任意的，實(shí)際檢測(cè)時(shí)盡量選擇方便實(shí)施的組合。

其中，對(duì)于含纖維的材料，材料主方向?yàn)槔w維方向。

三、對(duì)步驟二中的聲時(shí)差-應(yīng)力曲線進(jìn)行線性擬合，分別得到四組聲應(yīng)力系數(shù)組合表達(dá)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲時(shí)差、k_i為每組聲時(shí)差-應(yīng)力曲線線性擬合系數(shù)(斜率)、σ為單向拉伸應(yīng)力載荷；

四、聯(lián)立四組表達(dá)式，求解聲應(yīng)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(shí)差信號(hào)與平面主應(yīng)力的關(guān)系式；

五、另準(zhǔn)備與步驟一所述材料相同材質(zhì)的復(fù)合材料層合板作為待測(cè)材料，利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，對(duì)待測(cè)材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)量，分別檢測(cè)沿待測(cè)材料表面三個(gè)不同方向?qū)?yīng)的聲時(shí)差值，代入步驟四得到的關(guān)系式，將得到的三組關(guān)系式聯(lián)立，即可求得平面主應(yīng)力大小σ₁、σ₂和方向θ。

其中所述測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置包括超聲換能器組、超聲斜入射楔塊、信號(hào)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、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(gè)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?qū)?yīng)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(duì)應(yīng)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?qū)?yīng)放置，分別組成三組一發(fā)一收超聲信號(hào)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(hào)發(fā)生器通過(guò)信號(hào)線連接；

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(guò)信號(hào)線連接；

所述信號(hào)發(fā)生器與數(shù)字示波器連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步；

所述分析處理軟件與所述數(shù)字示波器連接。

本發(fā)明各向異性材料中聲時(shí)差信號(hào)與平面主應(yīng)力的關(guān)系式的獲得：

超聲縱波在固體中的傳播聲速和傳播主方向會(huì)受加載應(yīng)力的影響發(fā)生變化。定義聲速與應(yīng)力關(guān)系如下：

N_ij＝(N_ij)₀+α_ijσ_ij

其中N_ij為聲速矩陣，σi_j為應(yīng)力矩陣，并定義如下形式系數(shù)矩陣αi_j，

令L為入射楔塊所設(shè)計(jì)的傳播距離，t₀為縱波在無(wú)應(yīng)力試樣中傳播L所需時(shí)間，并定義相關(guān)系數(shù)，

其中V_X0、V_Y0分別為無(wú)應(yīng)力試樣與主方向呈0°、90°的縱波聲速。

推導(dǎo)得到檢測(cè)信號(hào)聲時(shí)差B與材料所受主應(yīng)力σ₁、σ₂的關(guān)系如下，

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(shí)差，σ₁為被測(cè)材料所受的第一主應(yīng)力、σ₂為被測(cè)材料所受的第二主應(yīng)力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應(yīng)力系數(shù)，θ為第一主應(yīng)力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測(cè)方向與材料主方向的夾角。

本發(fā)明的原理如下：

超聲波在固體中的傳播速度與其所受應(yīng)力具有線性關(guān)系。然而對(duì)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(guān)，還與材料本身的各向異性取向方向有關(guān)。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法沒(méi)有考慮材料本身各向異性的影響，這樣勢(shì)必會(huì)造成不可忽視的測(cè)量誤差。

本發(fā)明裝置工作原理在傳統(tǒng)原理基礎(chǔ)上，引入影響超聲波傳播的各向異性聲應(yīng)力系數(shù)，得到檢測(cè)信號(hào)聲時(shí)差與材料所受應(yīng)力間的關(guān)系式，式方法中各向異性聲應(yīng)力系數(shù)與材料特性有關(guān)，需要選取待測(cè)材料無(wú)應(yīng)力試塊進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)標(biāo)定。根據(jù)測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置檢測(cè)標(biāo)定完善的聲時(shí)差-應(yīng)力關(guān)系式，以及該裝置測(cè)量得到的所需方向的聲時(shí)差信號(hào)，即可計(jì)算得到被測(cè)材料所受應(yīng)力狀態(tài)。

1、由于超聲波沿復(fù)合材料面內(nèi)不同方向的傳播速度差異很大，測(cè)試前需進(jìn)行不同方向聲速的測(cè)量；

2、本發(fā)明采用臨界折射縱波作為檢測(cè)聲波，臨界折射縱波沿被測(cè)材料次表面?zhèn)鞑?，速度最快，?duì)應(yīng)力最為敏感；

3、本發(fā)明考慮了被測(cè)材料的各向異性對(duì)于超聲波的傳播影響，得到了各向異性材料中聲時(shí)差信號(hào)與平面主應(yīng)力的關(guān)系式B＝K₁σ₁+K₂σ₂；

4、為得到平面主應(yīng)力大小σ₁、σ₂和方向θ，需沿被測(cè)材料表面三個(gè)不同方向ω₁、ω₂、ω₃進(jìn)行檢測(cè)，得到對(duì)應(yīng)的聲時(shí)差值B₁、B₂、B₃，代入聲時(shí)差-應(yīng)力關(guān)系式并聯(lián)立求解。

本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明方法考慮到了材料的不均勻性、織構(gòu)取向性等各向異性，本方法可適用于各向異性復(fù)合材料平面應(yīng)力的檢測(cè)，不同于以往傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法只適用于金屬等各向同性材料。

本發(fā)明方法的效率高、精度高、操作簡(jiǎn)便的平面應(yīng)力超聲測(cè)量方法，適用于各向異性復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)件中平面應(yīng)力的檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一設(shè)計(jì)的測(cè)量復(fù)合材料層合板不同方向聲速的試樣，該試樣可測(cè)量超聲波沿纖維鋪設(shè)方向夾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七個(gè)方向的傳播速度。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一實(shí)際檢測(cè)示意圖。

圖4為本發(fā)明方法具體實(shí)施例中所用十字雙向拉伸試樣尺寸示意圖；

圖5為測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

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

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的方法，包括以下步驟：

一、準(zhǔn)備無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)合材料層合板試樣作為待測(cè)材料；

二、設(shè)計(jì)4組單向拉伸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，選擇4組標(biāo)定方向，對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行單向拉伸，利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，測(cè)量每組在單向拉伸荷載下的聲時(shí)差，代入以下公式中，分別得到4組聲時(shí)差-應(yīng)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(cè)信號(hào)聲時(shí)差，σ₁為被測(cè)材料所受的第一主應(yīng)力、σ₂為被測(cè)材料所受的第二主應(yīng)力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應(yīng)力系數(shù)，θ為第一主應(yīng)力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測(cè)方向與材料主方向的夾角；

三、對(duì)步驟二中的聲時(shí)差-應(yīng)力曲線進(jìn)行線性擬合，分別得到四組聲應(yīng)力系數(shù)組合表達(dá)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲時(shí)差、k_i為每組聲時(shí)差-應(yīng)力曲線線性擬合系數(shù)(斜率)、σ為單向拉伸應(yīng)力載荷；

四、聯(lián)立四組表達(dá)式，求解聲應(yīng)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(shí)差信號(hào)與平面主應(yīng)力的關(guān)系式；

五、另準(zhǔn)備與步驟一所述材料相同材質(zhì)的復(fù)合材料層合板作為待測(cè)材料，利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，對(duì)待測(cè)材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)量，分別檢測(cè)沿待測(cè)材料表面三個(gè)不同方向?qū)?yīng)的聲時(shí)差值，代入步驟四得到的關(guān)系式，將得到的三組關(guān)系式聯(lián)立，即可求得平面主應(yīng)力大小σ₁、σ₂和方向θ。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，所述測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置包括超聲換能器組、超聲斜入射楔塊2、信號(hào)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(gè)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?qū)?yīng)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(duì)應(yīng)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?qū)?yīng)放置，分別組成三組一發(fā)一收超聲信號(hào)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(hào)發(fā)生器3通過(guò)信號(hào)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(guò)信號(hào)線連接；

所述信號(hào)發(fā)生器3與數(shù)字示波器4連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步；

所述分析處理軟件5與所述數(shù)字示波器4連接。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二不同的是：所述超聲斜入射楔塊2的材質(zhì)為聚四氟乙烯。其它與具體實(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三不同的是：所述超聲斜入射楔塊2的中心鑲嵌釹鐵硼磁鐵。其它與具體實(shí)施方式二或三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至四之一不同的是：所述六個(gè)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(shí)施方式二至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至五之一不同的是：利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，測(cè)量聲時(shí)差的方法為：將裝置中的超聲斜入射楔塊2置于待測(cè)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，所述耦合劑為醫(yī)用超聲耦合劑耦合劑，成分是水性高分子凝膠。其它與具體實(shí)施方式二至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至六之一不同的是：所述超聲斜入射楔塊2斜入射角的確定方法具體為：

一、準(zhǔn)備無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)合材料層合板試樣作為待測(cè)材料，沿待測(cè)材料測(cè)量與纖維方向呈0-90°的方向縱波的傳播速度，即為待測(cè)材料的聲速V_L2；

二、根據(jù)斯涅耳定律及步驟一測(cè)得的縱波的傳播速度，按照公式V_L1sinθ₂＝V_L2sinθ₁，令θ₂＝90°，計(jì)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(cè)材料的聲速，θ₁為斜入射楔塊的入射角、θ₂為待測(cè)材料的臨界折射角。其它與具體實(shí)施方式二至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：三個(gè)不同方向與材料主方向的夾角分別為0°、45°和90°。其它與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方案和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例一：

待檢測(cè)材料為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，碳纖維型號(hào)為T(mén)700，樹(shù)脂型號(hào)為BA9916，設(shè)計(jì)十字雙向拉伸試樣，取樣時(shí)纖維方向與F₁夾角為θ＝0°，試樣尺寸如圖4所示。兩個(gè)方向載荷為F₁，F(xiàn)₂，分別以1:1、2:1、3:1和4:1比例進(jìn)行雙向加載。依照?qǐng)D1所示操作流程圖，十字拉伸試樣中心區(qū)域的平面應(yīng)力狀態(tài)測(cè)量過(guò)程如下：

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

(2)根據(jù)斯涅耳定律及測(cè)得的縱波速度，計(jì)算臨界折射角，設(shè)計(jì)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(cè)材料不同方向聲速及楔塊設(shè)計(jì)

(3)另準(zhǔn)備與步驟(1)所述材料相同材質(zhì)的復(fù)合材料層合板作為待測(cè)材料，設(shè)計(jì)4組單向拉伸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，選擇4組標(biāo)定方向，對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行單向拉伸，利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，測(cè)量每組在單向拉伸荷載下的聲時(shí)差，代入以下公式中，分別得到4組聲時(shí)差-應(yīng)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(cè)信號(hào)聲時(shí)差，σ₁為被測(cè)材料所受的第一主應(yīng)力、σ₂為被測(cè)材料所受的第二主應(yīng)力、m₁、m₂、m₃和m₄分別為聲應(yīng)力系數(shù)，θ為第一主應(yīng)力σ₁與材料主方向的夾角，ω為檢測(cè)方向與材料主方向的夾角。

測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，標(biāo)定方向如表2所示；利用測(cè)量各向異性材料平面應(yīng)力的裝置，測(cè)量聲時(shí)差的方法為：將裝置中的超聲斜入射楔塊2置于待測(cè)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(duì)聲時(shí)差-應(yīng)力曲線進(jìn)行線性擬合，分別得到四組聲應(yīng)力系數(shù)組合表達(dá)式及數(shù)值，如表2所示；

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

表2 聲應(yīng)力系數(shù)的標(biāo)定及計(jì)算

(6)圖3為本實(shí)施例實(shí)際檢測(cè)示意圖。需沿與材料主方向(通常為纖維方向)呈ω₁、ω₂、ω₃角的三個(gè)不同方向進(jìn)行測(cè)量，分別得到相應(yīng)的聲時(shí)差。如圖3所示，分別檢測(cè)沿被測(cè)材料表面三個(gè)不同方向ω₁＝0°、ω₂＝90°、ω₃＝45°對(duì)應(yīng)的聲時(shí)差值B₁、B₂、B₃，代入公式B＝K₁σ₁+K₂σ₂并聯(lián)立，即可求得平面主應(yīng)力大小σ₁、σ₂和方向θ，結(jié)果列于下表。

表3 復(fù)合材料平面應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果(實(shí)施例一)

實(shí)施例二：

待檢測(cè)材料與實(shí)施例一相同，取樣時(shí)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(jìn)行雙向加載。操作步驟與實(shí)施例一相同。分別檢測(cè)沿被測(cè)材料表面三個(gè)不同方向ω₁＝0°、ω₂＝90°、ω₃＝45°對(duì)應(yīng)的聲時(shí)差值B₁、B₂、B₃，代入公式B＝K₁σ₁+K₂σ₂并聯(lián)立，即可求得平面主應(yīng)力大小σ₁、σ₂和方向θ，結(jié)果列于下表。

表4 復(fù)合材料平面應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果(實(shí)施例二)