CN115200755A - 基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法 - Google Patents
基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115200755A CN115200755A CN202210902136.6A CN202210902136A CN115200755A CN 115200755 A CN115200755 A CN 115200755A CN 202210902136 A CN202210902136 A CN 202210902136A CN 115200755 A CN115200755 A CN 115200755A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- critical refraction
- refraction longitudinal
- sound velocity
- longitudinal wave
- damage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
- G01L1/255—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons using acoustic waves, or acoustic emission
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
基于相控阵‑临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，属于材料无损检测与评价领域。该方法包括以下步骤：在试样表面某一方向激励临界折射纵波，建立激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，获取最优激励声速；以其计算相控阵超声延迟法则，沿试样不同方向激励临界折射纵波并测量幅值；对临界折射纵波进行连续小波变换，计算不同方向临界折射纵波声速；获取不同损伤程度下试样某一方向激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，以及临界折射纵波幅值和声速变化曲线；建立最高幅值和最优激励声速、某一方向临界折射纵波幅值和声速与损伤程度的对应关系。该方法解决了材料声学特性随方向、损伤状态变化带来的评价难题，显著提高评价灵敏度和效率。
Description
技术领域
基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，属于高端装备检测领域。
背景技术
各向异性材料例如碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber ReinforcedPlastic，CFRP)、定向凝固镍基高温合金等材料广泛应用于航空航天、汽车、航海、体育等领域。受服役环境中温度、湿度、化学介质和应力等因素的影响，构件极易发生老化、疲劳等，形成裂纹、孔洞等缺陷和损伤，造成其力学、物理等性能呈现不同程度的下降，因此开展各向异性材料损伤的无损评价具有重要意义。
在我们前期研究—基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测***及其声速测量方法(CN112903820A)中，记录了激励并接收临界折射纵波的方法。临界折射纵波是以第一临界角入射，在材料表面或近表面传播的声波，具有对应力敏感、受表面状态影响小等诸多优点，广泛应用于材料的残余应力、表面缺陷和损伤的检测。但对于各向异性材料而言，其声速随方向发生变化，在损伤演变过程中又进一步随时间发生变化，给基于临界折射纵波的损伤评价带来挑战。现有临界折射纵波方法通过设计多角度或可变角度楔块来适应上述声速变化，损伤评价的准确性和可靠性都难以保证，效率低下。本发明通过相控阵-临界折射纵波方法评价各向异性材料损伤，有效解决各向异性材料声学特性随方向、损伤程度变化带来的评价难题，显著提高评价灵敏度和效率，降低评价成本，可以广泛应用于各向同性、各向异性材料的表面/近表面损伤的检测和评价。
发明内容
本发明提出基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法。通过相控阵-临界折射纵波方法，可以灵活适应各向异性材料不同方向、不同损伤程度带来的变声学特性测量难题，有效提取反映损伤程度的特征参量，具有广泛适应性。
本发明采用的技术方案是：基于相控阵-临界折射纵波方法确定各向异性材料某一方向对应临界折射纵波的最高幅值和最优激励声速，计算不同方向临界折射纵波幅值和声速，建立上述声学特征量与损伤程度的对应关系。
基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，基于相控阵-临界折射纵波方法确定各向异性材料某一方向对应临界折射纵波的最高幅值和最优激励声速，计算不同方向临界折射纵波幅值和声速，建立上述声学特征量与损伤程度的对应关系。具体执行如下步骤：
(1)各向异性材料试样表面处理
将各向异性材料试样表面打磨抛光，获得平整光滑表面。
(2)预估各向异性材料声速范围，激励临界折射纵波
预估各向异性材料声速范围，在试样某一方向计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并计算纵波声速，激励并接收临界折射纵波。在声速范围内以一定声速步进、初步建立不同激励声速与临界折射纵波幅值的关系曲线，选取幅值较高对应的声速范围缩小声速步进重新激励，最终建立激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，其中最高幅值对应的激励声速为最优激励声速。
(3)激励不同方向临界折射纵波
基于步骤(2)所述某一方向的最优激励声速激励各向异性材料不同方向的临界折射纵波，读取临界折射纵波幅值。
(4)小波变换处理临界折射纵波
对步骤(3)中临界折射纵波进行连续小波变换，读取不同阵元小波变换后信号的最高近似系数对应声时，并进行多项式拟合，获取直线斜率k以计算不同方向临界折射纵波的声速v，计算方法如下：
其中：vw是楔块声速，θw是楔块倾角，P是阵元间距。
(5)获取不同损伤程度下临界折射纵波声学特性
对不同损伤程度下各向异性材料试样重复步骤(2)～(4)，建立不同损伤程度下激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，以及不同方向临界折射纵波幅值和声速变化曲线。
(6)提取损伤评价参数
对步骤(5)中曲线提取最高幅值、最优激励声速，及步骤(2)所述某一方向对应的临界折射纵波幅值和声速，建立四个声学参量随损伤参量的变化关系，评价各向异性材料损伤程度。
步骤(2)中，选取幅值较高对应的声速范围缩小声速步进重新激励，最终建立激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线。
所述损伤参量为时间、质量或微缺陷数量。
本发明的有益效果是：这种基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法：预估各向异性材料声速范围，在试样某一方计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并计算纵波声速，激励并接收临界折射纵波，建立不同激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，获取最高幅值和对应最优激励声速；以最优激励声速计算相控阵超声延迟法则，沿试样不同方向激励临界折射纵波并测量幅值；对临界折射纵波进行连续小波变换，计算不同方向的临界折射纵波声速；获取不同损伤程度下平板试样特征方向激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，以及不同方向临界折射纵波幅值和声速变化曲线；建立最高幅值和最优激励声速、某一方向临界折射纵波幅值和声速与损伤程度的对应关系。本发明通过相控阵-临界折射纵波评价各向异性材料损伤，有效解决了材料声学特性随方向、损伤程度变化带来的评价难题，显著提高检测灵敏度和效率，降低检测成本，可以广泛应用于各向同性、各向异性材料的表面/近表面缺陷和损伤的检测和评价。
附图说明
图1是CFRP单向板试样。
图2是相控阵-临界折射纵波检测***示意图。
图3是CFRP单向板0°方向激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线图。
图4是CFRP单向板0°～25°方向临界折射纵波幅值变化曲线图。
图5是CFRP单向板0°～25°方向临界折射纵波声速变化曲线图。
图6是CFRP单向板不同湿热老化时间最高幅值变化图。
图7是CFRP单向板不同湿热老化时间最优激励声速变化图。
图8是CFRP单向板不同湿热老化时间0°的临界折射纵波幅值变化图。
图9是CFRP单向板不同湿热老化时间0°的临界折射纵波声速变化图。
具体实施方式
(1)制作CFRP单向板试样
采用热压固化的CFRP单向板作为各向异性材料损伤评价测试对象，加工试样为100mm×80mm，宽5.5mm的平板，对试样表面进行打磨抛光，如图1。抛光后试样放置于70℃恒温炉中进行工程干态处理。
(2)预估声速范围，激励临界折射纵波
预估步骤(1)中CFRP单向板试样0°方向的声速范围为8000m/s～12000m/s，初步定声速步进为100m/s，如图2，根据“基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测***及其声速测量方法”在步骤(1)中试样0°方向计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并计算纵波声速，激励临界折射纵波。建立激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，幅值较高的9000～1000m/s范围内缩小步进至25m/s，建立激励声速和临界折射纵波幅值曲线，如图3中0h的曲线，最高幅值对应的声速9425m/s为最优激励声速。
(3)激励不同方向临界折射纵波
以步骤(2)中最优激励声速9425m/s激励CFRP单向板中0°～25°方向的临界折射纵波，在计算机中记录A扫描和B扫描信号，并读取临界折射纵波的幅值，如图4中0h的曲线。
(4)小波变换处理临界折射纵波
对步骤(3)中的临界折射纵波A扫描信号进行以“mexh”为基函数的连续性小波变换，读取小波变换后信号20～32阵元的最高近似系数对应的声时，并进行多项式拟合，获取斜率k带入公式(1)中计算临界折射纵波声速，vw为2730m/s，θw为30°，P为0.6mm。以0°方向为例，斜率为49.48，临界折射纵波声速为9342m/s。计算0°～25°方向声速，如图5中0h的曲线。
(5)获取不同老化损伤状下态临界折射纵波声学特性
对步骤(1)中CFRP单向板试样进行70℃水浴加热。对于老化120h的试样重复上述步骤(2)～(4)，建立老化0h和120h下的激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，如图3，0°～25°方向临界折射纵波幅值和声速变化曲线，如图4和5。
(6)提取老化评价参数
对步骤(5)中曲线提取最高幅值、最优激励声速，及0°方向临界折射纵波声速和幅值等声学参量，建立不同声学参量随老化时间变化关系，如图6～9，评价CFRP单向板湿热老化损伤程度。
Claims (3)
1.基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，其特征在于：该方法确定各向异性材料某一方向对应临界折射纵波的最高幅值和最优激励声速，计算不同方向临界折射纵波幅值和声速，建立上述声学特征量与损伤程度的对应关系；
具体执行如下步骤：
(1)各向异性材料试样表面处理
将各向异性材料试样表面打磨抛光，获得平整光滑表面；
(2)预估各向异性材料声速范围，激励临界折射纵波
预估各向异性材料声速范围，在试样某一方向计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并计算纵波声速，激励并接收临界折射纵波；在声速范围内以一定声速步进、初步建立不同激励声速与临界折射纵波幅值的关系曲线，其中最高幅值对应的激励声速为最优激励声速；
(3)激励不同方向临界折射纵波
基于步骤(2)所述某一方向的最优激励声速激励各向异性材料不同方向的临界折射纵波，读取临界折射纵波幅值；
(4)小波变换处理临界折射纵波
对步骤(3)中临界折射纵波进行连续小波变换，读取不同阵元小波变换后信号的最高近似系数对应声时，并进行多项式拟合，获取直线斜率k以计算不同方向临界折射纵波的声速v，计算方法如下：
其中：vw是楔块声速，θw是楔块倾角，P是阵元间距；
(5)获取不同损伤程度下临界折射纵波声学特性
对不同损伤程度下各向异性材料试样重复步骤(2)～(4)，建立不同损伤程度下激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线，以及不同方向临界折射纵波幅值和声速变化曲线；
(6)提取损伤评价参数
对步骤(5)中曲线提取最高幅值、最优激励声速，及步骤(2)所述某一方向对应的临界折射纵波幅值和声速，建立四个声学参量随损伤参量的变化关系，评价各向异性材料损伤程度。
2.根据权利要求1所述的基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，其特征在于：步骤(2)中，选取幅值较高对应的声速范围缩小声速步进重新激励，最终建立激励声速和临界折射纵波幅值关系曲线。
3.根据权利要求1所述的基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法，其特征在于：所述损伤参量为时间、质量或微缺陷数量。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2022103769176 | 2022-04-12 | ||
| CN202210376917 | 2022-04-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115200755A true CN115200755A (zh) | 2022-10-18 |
Family
ID=83583839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210902136.6A Pending CN115200755A (zh) | 2022-04-12 | 2022-07-29 | 基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115200755A (zh) |
-
2022
- 2022-07-29 CN CN202210902136.6A patent/CN115200755A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112903820B (zh) | 基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测***及其声速测量方法 | |
| Shi et al. | In situ estimation of applied biaxial loads with Lamb waves | |
| CN114235241B (zh) | 基于莫尔圆应力原理的非线性超声应力检测方法及装置、复合材料平面应力检测方法 | |
| US20230061816A1 (en) | Air-coupled Ultrasonic Detection Method and Device Based on Defect Probability Reconstruction Algorithm | |
| CN105424810A (zh) | 纤维增韧陶瓷基复合材料均匀性评价方法 | |
| CN106908177B (zh) | 一种测量各向异性材料平面应力的装置 | |
| US11709152B2 (en) | Linkage device, transceiver module and plane stress field measuring device and method capable of achieving synchronous adjustment of distance and angle | |
| CN112326786B (zh) | 基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法 | |
| CN115683369A (zh) | 一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法 | |
| CN112444563A (zh) | 一种基于超声背反射的横观各向同性材料损伤评价方法 | |
| CN105806270A (zh) | 一种材料表面微裂纹深度的检测方法 | |
| Liu et al. | Quantifying the subsurface damage and residual stress in ground silicon wafer using laser ultrasonic technology: A Bayesian approach | |
| CN109490417B (zh) | 一种金属材料平面各向异性超声检测方法 | |
| CN113899487B (zh) | 一种空间三维残余应力超声检测方法 | |
| Qi et al. | Identification interface stiffness of coating/substrate structure based on ultrasonic pressure reflection coefficient amplitude spectrum | |
| CN115200755A (zh) | 基于相控阵-临界折射纵波的各向异性材料损伤评价方法 | |
| Lobkis et al. | In-plane elastic property characterization in composite plates | |
| CN114778676A (zh) | 基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法 | |
| CN115856076B (zh) | 基于空耦超声的cfrp板小尺寸缺陷测量方法、装置及*** | |
| CN106371098A (zh) | 一种有阻尼自由振动超声波测距***频率拐点判别方法 | |
| CN109946385A (zh) | 一种评价材料早期力学损伤的超声方法 | |
| WO2021184236A1 (zh) | 一种精细陶瓷弯曲强度无损检测方法、装置及存储介质 | |
| CN116448295B (zh) | 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 | |
| Van Otterloo et al. | How isotropic are quasi-isotropic laminates | |
| Hasegawa et al. | Acoustoelastic birefringence effect in wood III: ultrasonic stress determination of wood by acoustoelastic birefringence method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |