一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，所述方法是在变截面构件的一端耦合聚能换能器，使变截面构件另一端处于自由状态；通过聚能换能器对变截面构件一端施加受迫周期振动力以激发大应变波，大应变波在变截面构件体内微裂纹处激发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；然后采用固定在变截面构件长度方向上的四个激光位移传感器进行非接触式测量，通过计算机处理得到微裂纹所在位置和宽度。采用本发明方法能有效识别和定位变截面构件体内的微裂纹，且精确度高，不受传播损耗影响，为工程领域提供了一种早期发现和定位变截面构件体内微裂纹的有效途径，具有显著性实用价值。
【专利说明】一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是涉及一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，属于超 声波无损检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 变截面构件如锥形棒或指数形梁，以最优化的结构和最小自重承受较大周期交变 负荷因而在工程领域被广泛使用。与等截面构件比较，在交变负载作用下，变截面构件内部 易出现应力集中。根据Griffith能量平衡原理，当达到应力累积到一定程度时，微缺陷开始 扩展形成微裂纹，初期这些微裂纹表现为闭合状态，但随着载荷的持续作用，微裂纹变宽进 而扩展成裂缝，最终导致变截面构件断裂，因此早期发现和定位变截面构件体内微裂纹在 工程上具有非常重要意义。
[0003] 传统的线性超声方法通过测量回波幅度、声速和能量衰减等声学线性参数的变 化，识别缺陷的位置和大小。但早期微裂纹处于闭合状态，受到缺陷尺寸和超声波长分辨率 的影响，超声波在材料内部传播过程中声学线性参数几乎没有变化，而且变截面构件外形 不规则，即使没有缺陷，不同位置相同的测量方法所得到测量参数当量也不同，因此线性超 声方法发现微裂纹是困难的。
[0004] 近年来研究发现，构件体内的微缺陷会在声波传播过程中产生谐波项，使得应力 和应变关系成为非线性特性，其频谱中除基频外，还包括二次谐波、三次谐波等谐波频率， 因此通过比较谐波项与基频的幅度比值，即非线性参数法，理论上应该发现材料是否有微 缺陷，但受到功率发生器、换能器和材料内部晶格的非线性影响，微缺陷本身造成的非线性 往往不易发现，且谐波成分多样性，也造成能量过度分散，导致三次谐波等幅度很小，无法 计算非线性参数，所以不借助一些特殊设备，非线性参数法实际应用是困难的。
[0005] 大量的实验表明：当应变大于e> 10_6时，材料内部的微裂纹表现出非线性介观 弹性，应力和应变变成非经典非线性关系，除了激发频率（基波）外，仅仅含有奇次谐分 量，且谐波幅度也比较大，因此国外学者提出非线性弹性波光谱分析法、接触非线性和时间 反转法等，通过测量三次谐波位移、共振频谱偏移、调制波的差和频成分等能够发现是否存 在微裂纹。然而，上述非线性法来检测微裂纹的方法在实际应用中受到多种条件的制约，如 接触非线性（CAN)法，要求外部提供冲击装置；时间反转非线性法需要收发换能器阵列组； 非线性弹性波光谱分析法只适合规则截面的构件等；同时，这些方法一般只能发现构件中 是否存在微裂纹或者微孔，但这些缺陷在什么位置，其宽度尺寸等信息无法确定，从而也限 制了超声非线性检测方法在工业上，尤其是航天航海工业上的应用。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非 线性检测方法，为工程领域提供一种早期发现和定位变截面构件体内微裂纹的有效途径。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，是通过在变截面构件 的一端耦合聚能换能器，使变截面构件另一端处于自由状态；通过聚能换能器对变截面构 件一端施加受迫周期振动力以激发e>1〇_6的大应变波，大应变波在变截面构件体内微裂 纹处激发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；然后采用固定在变截面构件长度 方向上的四个激光位移传感器进行非接触式测量；计算机通过处理采集的四个激光位移传 感器的信号，得到a、b、c、d四个固定点的三次谐波纵向位移益3Z)(Xa,〇、召3i)(X^)、 右叫（Xc，〇和名3幻（X扣〇，代入公式1计算三次谐波解的系数、與阳和^叫和 將所得系数再代入公式2中，即可计算得到微裂纹所在位置X1和宽度d;
[0009] 所述的公式1如下所示：
【权利要求】
1. 一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，其特征在于：在变 截面构件的一端耦合聚能换能器，使变截面构件另一端处于自由状态；通过聚能换能器 对变截面构件一端施加受迫周期振动力以产生ε SKT6的大应变波，使大应变波在变 截面构件体内微裂纹处激发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；然后采用固 定在变截面构件长度方向上的四个激光位移传感器进行非接触式测量；计算机通过处 理采集的四个激光位移传感器的信号，得到a、b、c、d四个固定点的三次谐波纵向位移 右31)(弋,1〇、忍3")(;^，〇、拉从 )(夂,1〇和迄3；?)^,1〇，代入公式1计算三次谐波解的系 数Si3i)和将所得系数再代入公式2中，即可计算得到微裂纹所在 位置xl和宽度d ; 所述的公式1如下所示：
所述的公式2如下所示：
上面公式中A3il和表示微裂纹左边位移的振幅系数；和成3Λ)表示微裂纹右 边的振幅系数；S (X)代表变截面构件在X处的截面积；SX (X)代表在截面积关于X的导数； H(X)和Hx(X)分别代表主应变幅度和主应变幅度关于X的导数；k为波速；L为变截面构件 的长度；Λ为相邻两激光位移传感器的间距；α为非经典非线性参数。
2. 如权利要求1所述的非经典非线性检测方法，其特征在于：四个激光位移传感器的 激光束中心分别对准待测变截面构件长度方向上的左端点位置（X = 〇)、右端点位置（X = L)、距离左端点的任意位置（X = Λ)、距离右端点Λ位置（X = L-Λ)上的标定基准线。
3. 如权利要求1所述的非经典非线性检测方法，其特征在于：采用二维平面灰度图表 征微裂纹位置。
4. 如权利要求1所述的非经典非线性检测方法，其特征在于：同时采集五次谐波位移 并计算二维平面灰度图，当与三次谐波得到的灰度图上出现的微裂纹区域相重合位置，判 定为微裂纹发生位置。
【文档编号】G01N29/14GK104515812SQ201410663509
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】滕旭东, 章东 申请人:上海工程技术大学