声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法与流程

1.本发明涉及混凝土结构安全性检测与评价领域中的超声波无损检测技术领域，尤其涉及一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法。


背景技术：

2.当前，基于弹性介质中超声波传播路径的平均应力变化，针对弹性介质的应力计算，通常采用d.s.hughes和j.l.kelly提出声弹性理论的公式计算其中，ρ为混凝土密度，λ、μ为拉梅常数，l、m、n为murnaghan三阶弹性常数，v
l
为应力状态下的纵波速度，但上述理论公式参数众多，且混凝土材料存在均匀性差等原因，参数的细微变化往往造成理论公式计算结果的交大差异，从而使混凝土超声应力状态检测难以实际应用，因此，亟需一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法，用于解决现有针对声弹性理论的公式参数众多，导致混凝土超声应力状态检测难以实际应用的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法，用于解决现有针对声弹性理论的公式参数众多，导致混凝土超声应力状态检测难以实际应用的问题。
4.一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法，包括：简化超声波纵波速度关系；获取受压混凝土的结构应力；构建结构应力与超声波纵波速度的关系曲线；根据受压混凝土初始无应力状态的纵波、横波初速度，确定混凝土声弹性计算参数；建立有限元模型，计算关系曲线，得到计算结果；根据简化的超声波纵波速度关系、混凝土计算参数和计算结果，建立声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合曲线。
5.作为本发明的一种实施例，简化超声波纵波速度关系，包括：对被视为各向同性材料的混凝土的应力与垂直于应力方向传播的超声波纵波速度的关系进行两边求导，得到第一公式其中，v
l
为预应力状态下纵波沿垂直于应力方向的传播速度，v
l0
为无应力状态下的纵波初速度，σ为应力值，k为混凝土应力系数；基于超声波纵波速度变化幅度较小，确定v
l
约等于v
l0
，且基于dv
l
约等于δv
l
和dσ约等于δσ，简化第一公式得到应力与超声波纵波速度的线性关系v
l
＝aσ+b，其中，a为线性系数，b为常数项。
6.作为本发明的一种实施例，获取受压混凝土的结构应力，包括如下步骤：步骤1、预先在受压混凝土两侧分别进行超声纵波换能器、超声横波换能器对测布置，测得无应力状态下的纵波初速度v
lo
、横波初速度v
so
；步骤2、仅保留混凝土两侧对测布置的超声纵波换能器，对受压混凝土进行竖直向下的荷载施加；步骤3、检测超声纵波换能器间的平均应力作为受压混凝土的结构应力；其中，荷载施加方向与超声纵波换能器检测方向垂直。
7.作为本发明的一种实施例，构建结构应力与超声波纵波速度的关系曲线，包括：分别获取c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的结构应力，结合简化的超声波纵波速度关系，分别构建得到c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的结构应力与超声波纵波速度的关系曲线。
8.作为本发明的一种实施例，根据受压混凝土初始无应力状态的纵波、横波初速度，确定混凝土声弹性计算参数，包括：获取拉梅常数计算公式和其中，ρ为混凝土密度，v
s0
为无应力状态下的横波初速度，λ、μ为拉梅常数；根据关系曲线获取受压混凝土在初始无应力状态下的纵波、横波初速度v
lo
、v
so
，代入拉梅常数计算公式，计算得到拉梅常数作为混凝土声弹性计算参数。
9.作为本发明的一种实施例，建立有限元模型，计算关系曲线，得到计算结果，包括：建立有限元模型，利用有限元模型分别计算c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土应力与超声波纵波速度的关系曲线，得到计算结果。
10.作为本发明的一种实施例，根据简化的超声波纵波速度关系、混凝土计算参数和计算结果，建立声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合曲线，包括：分别将c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的混凝土计算参数和计算结果中的相关参数代入简化的超声波纵波速度关系中，建立得到c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合曲线。
11.作为本发明的一种实施例，步骤2中的荷载施加位置通过如下步骤确定：步骤21、确定受压混凝土的第一规格型号；步骤22、调取预设数据库中与第一规格型号相对应混凝土的标准三维模型和荷载施加最佳位置；步骤23、获取受压混凝土的实测三维模型；步骤24、计算得到标准三维模型和实测三维模型在每个平面子区域的三维重叠度；步骤25、根据所有三维重叠度对荷载施加最佳位置进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置。
12.作为本发明的一种实施例，根据所有三维重叠度对荷载施加最佳位置进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置，包括：以荷载施加最佳位置为原点建立三维坐标轴；获取与三维坐标轴三轴分别处于同一方向的平面子区域的x轴三维重叠度、y轴三维重叠度和z轴三维重叠度；根据x轴三维重叠度、y轴三维重叠度、z轴三维重叠度和对应权值分别对荷载施加最佳位置的对应坐标点进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置。
13.作为本发明的一种实施例，x轴三维重叠度、y轴三维重叠度和z轴三维重叠度根据对应的平面子区域在三维坐标轴的所处位置分为正x轴三维重叠度、正y轴三维重叠度、正z轴三维重叠度、负x轴三维重叠度、负y轴三维重叠度和负z轴三维重叠度；其中，三维坐标轴的所处位置分别包括x、y、z轴的正负半轴。
14.本发明的有益效果为：
15.本发明提供一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法，用于解决现有针对声弹性理论的公式参数众多，导致混凝土超声应力状态检测难以实际应用的问题。
16.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
17.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1为本发明实施例中一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法的方法流程图；
20.图2为本发明实施例中一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法中混凝土结构应力超声检测模式示意图；
21.图3为本发明实施例中一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法中结构应力与超声波纵波速度的关系曲线图；
22.图4为本发明实施例中一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法中有限元模型超声波纵波速度与结构应力计算结果。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
24.请参阅图1，本发明实施例提供了一种声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线方法，包括：s101、简化超声波纵波速度关系；s102、获取受压混凝土的结构应力；s103、构建结构应力与超声波纵波速度的关系曲线；s104、根据受压混凝土初始无应力状态的纵波、横波初速度，确定混凝土声弹性计算参数；s105、建立有限元模型，计算关系曲线，得到计算结果；s106、根据简化的超声波纵波速度关系、混凝土计算参数和计算结果，建立声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合曲线；
25.上述技术方案的工作原理为：本方法将混凝土视为各向同性材料，利用简化参数的应力与垂直于应力方向传播的超声波纵波速度的关系，
[0026][0027]
通过试验测试和仿真模拟的方式，给出了混凝土在声弹性阶段超声波波速与应力的对应关系，为混凝土应力检测提供了超声波检测的拟合曲线方法；
[0028]
具体为：s1、理论基础的简化方法；s2、混凝土结构应力超声检测模式；s3、实测混凝土结构应力与超声波波速；s4、利用实测无应力状态下的纵波、横波初速度反推混凝土声弹性计算参数；s5、建立有限元模型，模拟超声波在混凝土中的传播；s6、建立声弹性阶段混凝土应力状态超声波检测的拟合曲线；
[0029]
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案，用于解决现有针对声弹性理论的公式参数众多，导致混凝土超声应力状态检测难以实际应用的问题。
[0030]
在一个实施例中，简化超声波纵波速度关系，包括：对被视为各向同性材料的混凝土的应力与垂直于应力方向传播的超声波纵波速度的关系进行两边求导，得到第一公式其中，v
l
为预应力状态下纵波沿垂直于应力方向的传播速度，v
l0
为无应力状态下的纵波初速度，σ为应力值，k为混凝土应力系数；基于超声波纵波速度变化幅度较
小，确定v
l
约等于v
l0
，且基于dv
l
约等于δv
l
和dσ约等于δσ，简化第一公式得到应力与超声波纵波速度的线性关系v
l
＝aσ+b，其中，a为线性系数，b为常数项；
[0031]
上述技术方案的工作原理为：对于前述应力与垂直于应力方向传播的超声波纵波速度的关系(1)，两边求导得，
[0032][0033]
由于波速变化较小，因此有v
l
≈v
l0
[0034][0035]
又因为dv
l
≈δv
l
，dσ≈δσ，(1)式可简化为应力与波速为线性关系：
[0036]vl
＝aσ+b
ꢀꢀꢀ
(4)
[0037]
其中：v
l
为预应力状态下纵波沿垂直于应力方向的传播速度，v
l0
为无应力状态下的纵波初速度；σ为应力值，k为混凝土应力系数，a为线性系数，b为常数项；
[0038]
上述技术方案的有益效果为：上述方案用于理论基础的简化，有益于减少参与计算的公式参数，提高检测精度。
[0039]
在一个实施例中，获取受压混凝土的结构应力，包括如下步骤：
[0040]
步骤1、预先在受压混凝土两侧分别进行超声纵波换能器、超声横波换能器对测布置，测得无应力状态下的纵波初速度v
lo
、横波初速度v
so
；步骤2、仅保留混凝土两侧对测布置的超声纵波换能器，对受压混凝土进行竖直向下的荷载施加；步骤3、检测超声纵波换能器间的平均应力作为受压混凝土的结构应力；其中，荷载施加方向与超声纵波换能器检测方向垂直；
[0041]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：如图2所示，检测采用超声纵波换能器，荷载施加方向竖直向下，换能器对测布置，垂直荷载施加方向，检测超声换能器之间的平均应力，该检测方法有益于提高应力检测精度。
[0042]
在一个实施例中，构建结构应力与超声波纵波速度的关系曲线，包括：分别获取c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的结构应力，结合简化的超声波纵波速度关系，分别构建得到c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的结构应力与超声波纵波速度的关系曲线；
[0043]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：如图3所示，c30、c40、c50混凝土试块分级加载，测量应力与纵波波速关系曲线，通过上述技术方案，有益于为后续计算提供数据支撑。
[0044]
在一个实施例中，根据受压混凝土初始无应力状态的纵波、横波初速度，确定混凝土声弹性计算参数，包括：获取拉梅常数计算公式和其中，ρ为混凝土密度，v
s0
为无应力状态下的横波初速度，λ、μ为拉梅常数；根据关系曲线获取受压混凝土在初始无应力状态下的纵波、横波初速度v
lo
、v
so
，代入拉梅常数计算公式，计算得到拉梅常数作为混凝土声弹性计算参数；
[0045]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：利用实测应力与纵波波速关系，反推混凝土计算参数；由图3可知，混凝土在抗压强度50％～70％范围内，测试结果最接近简单线性关系，超出此范围超声波波速与应力呈现非线性关系；在声弹性范围内，利用部分测试数据，反推混凝土计算参数，包括但不限于利用抗压强度50％以内部分测试数据，反推混凝土
计算参数；通过拉梅常数计算公式和其中，ρ为混凝土密度，v
s0
为无应力状态下的横波初速度，λ、μ为拉梅常数；根据关系曲线获取受压混凝土在初始无应力状态下的纵波、横波初速度v
lo
、v
so
，代入拉梅常数计算公式，计算得到拉梅常数作为混凝土声弹性计算参数，通过上述方案有益于为后续计算提供数据支撑；在一个具体实施例中，拉梅常数(混凝土参数)计算结果如表1所示：
[0046]
表1 混凝土参数计算结果
[0047][0048]
在一个实施例中，建立有限元模型，计算关系曲线，得到计算结果，包括：建立有限元模型，利用有限元模型分别计算c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土应力与超声波纵波速度的关系曲线，得到计算结果；
[0049]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：如图4所示，建立有限元模型，模拟超声波在混凝土中的传播，根据超声波纵波速度和结构应力信息建立有限元模型，利用有限元模型分别计算c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土应力与超声波纵波速度的关系曲线，得到计算结果，通过上述方案有益于为后续计算提供数据支撑。
[0050]
在一个实施例中，根据简化的超声波纵波速度关系、混凝土计算参数和计算结果，建立声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合曲线，包括：分别将c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的混凝土计算参数和计算结果中的相关参数代入简化的超声波纵波速度关系中，建立得到c30混凝土、c40混凝土和c50混凝土的声弹性阶段应力状态超声波检测的拟合
曲线；
[0051]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：根据前述步骤成果，建立声弹性阶段(本文混凝土在抗压强度50％)应力状态超声波检测的拟合曲线，在一个具体实施例中，应力状态超声波检测的拟合曲线如表2所示：
[0052]
表2 应力状态超声波检测的拟合曲线
[0053][0054]
通过上述方案，为混凝土应力检测提供了超声波检测的拟合曲线方法。
[0055]
在一个实施例中，步骤2中的荷载施加位置通过如下步骤确定：步骤21、确定受压混凝土的第一规格型号；步骤22、调取预设数据库中与第一规格型号相对应混凝土的标准三维模型和荷载施加最佳位置；步骤23、获取受压混凝土的实测三维模型；步骤24、计算得到标准三维模型和实测三维模型在每个平面子区域的三维重叠度；步骤25、根据所有三维重叠度对荷载施加最佳位置进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置；
[0056]
上述技术方案的工作原理为：步骤21、确定受压混凝土的第一规格型号；其中，第一规格型号包括c100、c70、c50、c40、c30、c20等等；步骤22、调取预设数据库中与第一规格型号相对应混凝土的标准三维模型和荷载施加最佳位置；其中，预设数据库中保存有所有与待用规格型号对应的标准三维模型，该标准三维模型优选根据分析若干标准规格合并而成；步骤23、获取受压混凝土的实测三维模型；由于制备条件差异，受压混凝土的实测三维模型和标准三维模型可能存在一定差异；步骤24、计算得到标准三维模型和实测三维模型在每个平面子区域的三维重叠度；其中，计算方法优选采用一种三维模型的重叠度计算方法；步骤25、根据所有三维重叠度对荷载施加最佳位置进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置；更进一步地，也可通过加入荷载的规格信息结合进行计算实测荷载施加最佳位置；
[0057]
上述技术方案的有益效果为：相较于每次施加荷载的位置采用人眼测量的方式，
本方案能够更精确的自动识别荷载最佳施加位置，为应力检测提供较为精确的数据支撑。
[0058]
在一个实施例中，根据所有三维重叠度对荷载施加最佳位置进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置，包括：以荷载施加最佳位置为原点建立三维坐标轴；获取与三维坐标轴三轴分别处于同一方向的平面子区域的x轴三维重叠度、y轴三维重叠度和z轴三维重叠度；根据x轴三维重叠度、y轴三维重叠度、z轴三维重叠度和对应权值分别对荷载施加最佳位置的对应坐标点进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置；
[0059]
上述技术方案的工作原理为：以荷载施加最佳位置为原点建立三维坐标轴；然后获取与三维坐标轴中x轴处于同一方向的平面子区域的x轴三维重叠度、与三维坐标轴中y轴处于同一方向的平面子区域的y轴三维重叠度和与三维坐标轴中z轴处于同一方向的平面子区域的z轴三维重叠度；根据标准受压混凝土来说，三维模型分为6面，其中，三维坐标轴中每个坐标轴分别对应两个面；然后根据x轴三维重叠度、y轴三维重叠度、z轴三维重叠度和对应权值分别对荷载施加最佳位置的对应坐标点进行偏移计算，得到实测荷载施加最佳位置，计算方法优选其中，(x，y，z)为实测荷载施加最佳位置的坐标；(x0，y0，z0)为荷载施加最佳位置的坐标；α
x
，αy和αz分别为x轴三维重叠度、y轴三维重叠度、z轴三维重叠度；β
x
，βy和βz分别为x轴三维重叠度、y轴三维重叠度、z轴三维重叠度的对应权值；
[0060]
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案，针对三维模型在各个方向平面上的重叠度，对荷载施加最佳位置的对应坐标点进行偏移计算，对每个坐标点单独分析，有益于提高实测荷载施加最佳位置的检测精度。
[0061]
在一个实施例中，x轴三维重叠度、y轴三维重叠度和z轴三维重叠度根据对应的平面子区域在三维坐标轴的所处位置分为正x轴三维重叠度、正y轴三维重叠度、正z轴三维重叠度、负x轴三维重叠度、负y轴三维重叠度和负z轴三维重叠度；其中，三维坐标轴的所处位置分别包括x、y、z轴的正负半轴；
[0062]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：通过三维坐标轴中x、y、z轴的正负半轴，将x轴三维重叠度、y轴三维重叠度和z轴三维重叠度进行正负区分，即其中，α-x
，α-y
和α-z
分别为负x轴三维重叠度、负y轴三维重叠度和负z轴三维重叠度；α
+x
，α
+y
和α
+z
分别为正x轴三维重叠度、正y轴三维重叠度、正z轴三维重叠度；通过上述方案可以有效调节实测荷载施加最佳位置因各个平面的变动导致的整体变动趋势，提高实测荷载施加最佳位置的检测精度。
[0063]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。