一种应力状态分布检测方法和系统

本发明涉及应力检测的，尤其涉及一种应力状态分布检测方法和系统。

背景技术：

1、随着铝合金等金属材料在航天航空、国防军工等重要领域中广泛应用，对金属材料的质量检测显得尤为重要，而金属材料在制造过程中由于加工工艺、焊接和热处理等因素，易产生残余应力。结构件内部的应力会直接影响到结构件的静强度、疲劳强度、抗腐蚀性以及尺寸稳定性等，而实际上结构件所承受的应力往往是非均匀的，一方面，由于结构件本身的复杂性和加工工艺的不同，在结构中会产生局部应力集中；另一方面，外部载荷通常以非对称的方式作用于结构件，会产生巨大的应力梯度。这些不均匀的应力场容易诱发局部疲劳，导致结构件的疲劳失效，造成巨大的经济损失，因此对结构件应力状态分布的检测具有重要的实际意义。

2、应力状态分析是研究结构件疲劳、损伤以及优化设计的关键环节。应力状态指的是物体在受到力的作用时，其内部不同点的应力的大小和方向的状态。物体内部应力的大小和方向不仅随截面的方位而变化，而且在同一截面上的各点处也不一定相同。研究应力状态分布可以知道零件各处的受力情况，再根据受力情况确定零件的结构，以节约材料，并使零件受力合理，保证零件起到预期的功能和作用。

3、目前应力状态检测的方法包括激光超声检测，激光超声是利用脉冲激光辐照在固体材料表面，辐照面积上产生的局部高温形成热弹和烧蚀机制，进而激励出超声波，然后利用激光测振仪接收超声波。但现有的激光超声应力状态检测方法只能用于待测结构件样品上的单轴应力状态检测，无法检测待测样品上的多轴应力状态。由于结构件上实际应力状态是复杂的，单轴的应力状态检测已无法满足其真实的内部应力状态检测，导致检测结果的有效性难以得到保障，导致应力状态分布检测的准确性较低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种应力状态分布检测方法和系统，解决了现有的激光超声应力状态分布检测只能用于单轴应力状态检测导致的准确性较低的技术问题。

2、本发明第一方面提供了一种应力状态分布检测方法，应用于应力状态分布检测系统，所述应力状态分布检测系统包括激光发射模块、分光棱镜、扫描振镜、光电探测模块、激光测振模块以及信号处理模块；所述方法包括：

3、通过所述激光发射模块向所述分光棱镜发射激光，所述分光棱镜将所述激光分束为射向所述光电探测模块的参考光和射向所述扫描振镜的检测光；

4、通过所述光电探测模块接收和识别所述参考光，并将识别到的参考光信号发送至所述信号处理模块；

5、通过所述信号处理模块根据待测样品的待测点的位置，控制所述扫描振镜调整所述检测光入射到所述待测点对应的测试点的位置；

6、将所述激光测振模块移动到所述待测点至所述测试点的目标检测方向上，通过所述激光测振模块检测待测样品的表面的瑞利波并将相应的波形数据发送至所述信号处理模块；

7、通过所述信号处理模块根据所述波形数据，确定所述测试点对应的测试波形；

8、通过所述信号处理模块结合所述参考光信号和所述测试波形，计算所述待测点的应力状态分布。

9、可选地，所述测试点包括分别位于所述待测点的预设的多个目标检测方向上、且与所述待测点之间的距离为预设距离的多个测试点；

10、所述通过所述信号处理模块根据待测样品的待测点的位置，控制所述扫描振镜调整所述检测光入射到所述待测点对应的测试点的位置，所述将所述激光测振模块移动到所述待测点至所述测试点的目标检测方向上，通过所述激光测振模块检测待测样品的表面的瑞利波并将相应的波形数据发送至所述信号处理模块，以及所述通过所述信号处理模块根据所述波形数据，确定所述测试点对应的测试波形，具体包括：

11、通过所述信号处理模块根据待测样品的待测点的位置，分别计算全部所述测试点对应的第一反射镜旋转角度、第二放射镜旋转角度、平面聚焦镜旋转角度和平面聚焦镜移动空间距离；

12、将其中一个未确定测试波形的所述测试点作为目标测试点；

13、通过所述信号处理模块向所述扫描振镜发送包括所述目标测试点对应的所述第一反射镜旋转角度、所述第二放射镜旋转角度、所述平面聚焦镜旋转角度以及所述平面聚焦镜移动空间距离的控制信号，使所述检测光经过所述扫描振镜后聚焦于所述目标测试点，并将所述激光测振模块移动到所述待测点至所述目标测试点的目标检测方向上；

14、通过所述激光测振模块检测所述目标测试方向上的瑞利波并将相应的波形数据发送至所述信号处理模块；

15、在所述信号处理模块接收到的所述波形数据稳定后，通过所述信号处理模块确定接收到的所述波形数据中所述目标测试点对应的测试波形；

16、跳转执行所述将其中一个未获得波形数据的所述测试点作为目标测试点，直至所述信号处理模块确定了所有所述测试点相应的测试波形。

17、可选地，所述计算所述待测点的应力状态分布包括：

18、根据多个所述测试点对应的测试波形，结合所述参考光信号，分别计算所述待测点在多个所述目标检测方向上的瑞利波波速；

19、按照所述待测点在多个所述目标检测方向上的瑞利波波速，分别计算所述待测点在多个所述目标检测方向上的瑞利波传播时间；

20、根据所述待测点在多个所述目标检测方向上的瑞利波传播时间，结合所述待测样品的声弹性系数和无应力传播时间，分别计算所述待测点在多个所述目标检测方向上的残余应力；

21、采用所述待测点在多个所述目标检测方向上的残余应力，结合所述待测样品的弹性模量和泊松比，计算所述待测点处的主应力和主平面方向。

22、可选地，所述测试点包括第一测试点、第二测试点及第三测试点；

23、所述主应力的计算公式为：

24、

25、式中，为所述待测样品在所述待测点处的主应力，e为所述待测样品的弹性模量，μ为所述待测样品的泊松比，σ1为所述第一测试点的残余应力，σ2为所述第二测试点的残余应力，σ3为所述第三测试点的残余应力；

26、所述主平面方向的计算公式为：

27、

28、式中，α为所述待测样品在所述待测点处的主平面方向。

29、可选地，所述应力状态分布检测方法还包括：

30、通过所述信号处理模块控制所述激光发射模块发出不同频率的激光。

31、可选地，所述应力状态分布检测方法还包括：

32、通过所述应力状态分布检测系统检测所述待测样品多处的应力状态分布，得到所述待测样品整个平面的应力状态分布。

33、可选地，所述频率的计算公式为：

34、

35、式中，h为所述待测点在所述待测样品上的深度，v为瑞利波波速，f为所述频率。

36、本发明第二方面提供了一种应力状态分布检测系统，包括：激光发射模块、分光棱镜、扫描振镜、光电探测模块、激光测振模块、信号处理模块以及控制模块；

37、所述激光发射模块用于提供激光源；

38、所述分光棱镜用于将所述激光发射模块发出的激光分束为射向所述光电探测模块的参考光和射向所述扫描振镜的检测光；

39、所述扫描振镜包括可旋转和移动的平面聚焦镜以及旋转轴互相垂直的第一反射镜和第二反射镜，用于通过所述第一反射镜和所述第二反射镜反射所述检测光后，通过平面聚焦镜使所述检测光入射到待测样品表面的待测点对应的测试点；

40、所述激光测振模块用于在所述待测点至所述测试点的目标检测方向上检测所述待测样品表面的瑞利波并将相应的波形数据发送至所述信号处理模块；

41、所述光电探测模块用于接收和识别所述参考光，并将识别到的参考光信号发送至所述信号处理模块；

42、所述信号处理模块用于根据所述待测点的位置，控制所述扫描振镜调整所述检测光入射到所述待测样品表面的位置，及根据所述波形数据，确定所述测试点对应的测试波形，并结合所述参考光信号计算所述待测点的应力状态分布；

43、所述控制模块包括包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一项所述的应力状态分布检测方法。

44、可选地，所述测试点包括分别位于所述待测点的预设的多个目标检测方向上、且与所述待测点之间的距离为预设距离的多个测试点；

45、所述信号处理模块具体用于：

46、根据待测样品的待测点的位置，分别计算全部所述测试点对应的第一反射镜旋转角度、第二放射镜旋转角度、平面聚焦镜旋转角度和平面聚焦镜移动空间距离；

47、将其中一个未确定测试波形的所述测试点作为目标测试点；

48、向所述扫描振镜发送包括目标测试点对应的所述第一反射镜旋转角度、第二放射镜旋转角度、平面聚焦镜旋转角度以及平面聚焦镜移动空间距离的控制信号，使所述检测光经过所述扫描振镜后聚焦于所述目标测试点；

49、在接收到的所述波形数据稳定后，确定接收到的所述波形数据中所述目标测试点对应的测试波形；

50、跳转执行所述将其中一个未确定测试波形的所述测试点作为目标测试点，直至确定所有所述测试点相应的测试波形。

51、可选地，所述信号处理模块还用于控制所述激光发射模块发出不同频率的激光。

52、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

53、本发明公开了一种应力状态分布检测方法和系统，其中应力状态分布检测系统包括激光发射模块、分光棱镜、扫描振镜、光电探测模块、激光测振模块、信号处理模块以及控制模块，扫描振镜包括可旋转和移动的平面聚焦镜以及旋转轴互相垂直的第一反射镜和第二反射镜，通过控制扫描振镜改变激光到待测样品的入射角度和位置，并采用激光测振模块测得待测样品的待测点对应的瑞利波波形数据计算待测点的应力状态分布，可以在多个检测方向上检测待测样品的应力状态分布，且可通过调节激光频率检测待测样品不同深度的应力状态分布，能实现大多数场合的现场多轴应力状态分布检测，检测准确性较高。