一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法及装置制造方法
【专利摘要】一种基于超声波表面波的应力测量主应力分离的方法及装置，属于测定材料表面力的方法与装置。所述的分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分析系统连接。利用表面波测量物体表面的工作应力和残余应力；同时给出了主应力的分离方法；二维应力测量的验证性实验，实现了二维平面应力的表面波无损检测，且演示对象为A3钢，工程应用价值较强，实验精度高，适合工程检测；利用超声的优点，可以对任意一位置的单点多维的应力进行无损的检测。
【专利说明】一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测定材料表面力的方法与装置，特别涉及一种基于超声波表面波 的应力测量主应力分离的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 在人们使用各种材料的长期实践中，观察到大量的材料破坏现象，这些现象曾为 人们带来了很多灾难性事故，其中涉及到船舶、飞机、轴类、压力容器和核设备等方面的事 故、因此材料失效破坏问题始终是研究各种材料的一个重要方面。
[0003] 很多关键设备的结构件，其可靠性和寿命与构件上的残余应力和工作应力有很大 的关系。残余应力是指在没有载荷和温度变化等外界因素作用下，存在于金属材料或机械 构件内部并保持平衡的力。在工程构件的制造、运输、安装和使用过程中，通常构件的内部 都会产生残余应力。即使有载荷作用下，这个应力依然存在。
[0004] 由于残余应力与外载荷有叠加效应，因此，不能用施加已知的外载荷来得到关于 残余应力强度和分布的有关信息。材料和构件不可避免的存在残余应力，由于残余应力与 外载荷有叠加作用，往往给构件带来极大的危害，但是有时候也可以带来良好的作用。残余 应力的来源、分布十分复杂，目前在多数情况下，人们还不能控制残余应力，更谈不上有效 的利用它。
[0005]残余应力的测量方法大致可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。其 中机械释放测量法包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应 力，这就需要对工作局部分离或者分割，从而会对工件造成一定的损伤或者破坏。非破坏无 损伤测量法主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测，对工件不会造成破 坏。
[0006]对于表面应力的测量，目前的测量方法都只能测量简单分布的应力形式，对于复 杂的应力分布，应力分布不均时，对于某点的二维的应力测量就很难精确的测量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是要提供一种基于超声波表面波的应力测量主应力分离的方法及 装置，解决传统表面应力测量装置无法测量单点应力的问题。
[0008] 为了实现发明的目的，应力测量主应力分离包括分离方法及分离装置；
[0009]所述的分离方法：首先开启测量装置，在待测物体表面涂抹机油作为耦合剂，将超 声换能器组放置在待测物体表面并固定，分别利用超声换能器组中的三组超声换能器对测 点的超声表面波进行采样、预处理、存储和分析，计算超声表面波的传播速度变化量，从而 获得物体表面的平面二维应力，并进行主应力方向角的测量以及主应力的分离；超声表面 波的声弹性公式可表示为：
[0010] Δt=K3OJ 33+KiOJη (I)
[0011] 其中At为超声波在应力和无应力状态下在一定声程内的传播时间差，σ'33、 σ'n为任一检测方向的正应力，K3,K1为弹性体对应的表面波声弹性系数；
[0012] 探头沿着3方向放置，表面波的传播时间与平行和垂直与探头方向的应力关系：
【权利要求】
1. 一种基于超声表面波的应力测量主应力分离的方法，其特征是：该分离方法：首先 开启测量装置，在待测物体表面涂抹机油作为耦合剂，将超声换能器组放置在待测物体表 面并固定，分别利用超声换能器组中的三组超声换能器对测点的超声表面波进行采样、预 处理、存储和分析，计算超声表面波的传播速度变化量，从而获得物体表面的平面二维应 力，并进行主应力方向角的测量以及主应力的分离；超声表面波的声弹性公式可表示为： Δ t = K3 σ ' ^K1 σ ' n (I) 其中At为超声波在应力和无应力状态下在一定声程内的传播时间差，σ'33、σ'η为 任一检测方向的正应力，K3,K1为弹性体对应的表面波声弹性系数； 探头沿着3方向放置，表面波的传播时间与平行和垂直与探头方向的应力关系：
(2)式中含有〇3、σi、Θ三个未知数，三个未知数〇3、σi、Θ分别为主应力大小〇 3、 〇 :和方向角Θ，在检测过程中通过不同方向的三组探头可得到三个方程，联立求解主应力 值和方向角，进行主应力分离；三组检测探头分别沿3个方向放置，方向夹角为120° ; 由（2)式可得3个方程如下：
解此方程，即可得到主应力大小〇3、O1和方向角Θ:
2. 使用权利要求1所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离方法的装置，其 特征是：该分离装置包括：由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系 统组成；由超声换能器组的输出端与超声脉冲发射接收器的输入端连接，超声脉冲发射接 收器的输出端与采样处理系统的输入端连接，采样处理系统的输出端通过数字示波器与分 析系统连接。
3. 根据权利要求2所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离装置，其特征 是：所述的超声换能器组包括：超声换能器、试验钢板、固定端盖、吸收块、声楔和压电晶 体；超声换能器放置在试验钢板上，超声换能器底部有多个独立的盒子，在每一个盒子里有 吸收块、声楔和压电晶体，上超声换能器上端连接有固定端盖。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声表面波的应力测量主应力分离装置，其特征 是：所述的超声脉冲发射接收器包括：三组超声换能器组、多路分配器、脉冲发生器、控制 器、多路选择器、放大器、滤波器和示波器；控制器的输出端同时与二个多路分配器和一个 多路选择器连接，脉冲发生器通过第一多路分配器与三组超声换能器组的输入端连接，三 组超声换能器组的输出端通与多路选择器的输入端连接，多路选择器的输出端与放大器、 滤波器、放大器、第二多路分配器的输入端连接，第二多路分配器的输出端与示波器连接。
【文档编号】G01L1/25GK104458081SQ201410723236
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】胡而已, 胡元, 邵营 申请人:中国矿业大学