[發明專利]一種多層復合材料結構力學參數聲學檢測方法

在審

• 申請號: 201710013869.3
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106596723A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 向家偉;宋文磊;鐘永騰;湯何勝
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44
• 代理公司: 溫州金甌專利事務所(普通合伙)33237
• 代理人: 陳暉

技術領域

本發明屬于機械結構無損檢測技術領域，涉及一種多層復合材料結構力學參數聲學檢測方法。

背景技術

目前，隨著國家制造業的飛速發展，社會對機械裝備的需求日益擴大。高性能的復合材料廣泛應用于各個制造領域，行業對材料性能要求越來越高，由于材料自身的特性可能隨應用環境和工況的變化發生改變，這將導致材料以及整個機械裝備的穩定性和可靠性降低，由此引發安全事故時有發生。因此事先對系統進行數字模擬仿真實現對機械結構狀態穩定性的評估和使用壽命的預測變得尤為重要，將極大地提高機械裝備整體運行安全性和可靠性，避免惡性事故。在數字建模仿真過程中彈性模量、剪切模量是最基本的力學特性參數，由于工作條件和應用環境的不確定性，將導致力學參數的值發生變化，為了使仿真預測的結果更加準確，一種高效、無損、準確的力學參數檢測方法變得十分必要。

脈沖激振法(Impulse Excitation Technique)是一種號稱無損檢測方法，通過試樣固有頻率、尺寸和質量來獲取材料楊氏模量、剪切模量、泊松比的一種方法。脈沖激振法是指通過合適的外力給定試樣某一特定位置一個連續的脈沖激振信號，當激振信號中的某一頻率與試樣的固有頻率相一致時，產生共振，此時振幅最大，延時最長，通過測量傳感器接收該振動信號，然后通過數據的分析處理獲得試樣的固有頻率，該固有頻率依據試樣的振動方式不同而獲得不同類型的頻率，如彎曲頻率、扭曲頻率等，然后由標準試樣的經驗公式計算得出其楊氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等，是目前世界上公認的先進的非接觸測定各種材料彈性模量的一種理想檢測方法。

近幾年來，基于結構振動信息的材料力學參數識別技術已經引起了工程結構無損檢測領域研究者的廣泛關注。脈沖激振檢測方法是新近發展起來的一種具有廣闊應用前景的方法，該方法通過無損的方法準確地識別出多層復合材料板的力學參數，并在實驗室研究中取得了較好的效果。然而，之前的研究僅僅局限于傳統的工程材料，針對多層復合材料板類結構在實際運行條件下的力學參數的快速識別，目前由于缺乏適用的方法而未見報道。

發明內容

為了克服以上的技術不足，本發明提供一種多層復合材料結構力學參數聲學檢測方法。

本發明提供一種多層復合材料結構力學參數聲學檢測方法，其步驟如下：

1)通過有限元分析法對模擬多層復合材料結構進行模態頻率計算，獲得第一階彎曲共振頻率f_f和第一階剪切共振頻率f_t，并對獲得的數據進行處理擬合，分別得到彈性模量E和剪切模量G與多層復合材料結構的幾何尺寸和質量之間的關系，并得到獲取力學參數的經驗公式；

2)距離兩端面均為0.198L處用用彈性金屬線懸吊起多層復合材料結構，使其處于自由振動的狀態，并通過力錘在多層復合材料結構的左端激勵，而在右端用聲壓傳感器拾取多層復合材料結構的振動信號，并通過快速傅里葉變換獲得第一階彎曲共振頻率f_f；

3)在長度和寬度方向的中線處用彈性金屬繩懸吊起多層復合材料結構，使其處于自由振動的狀態，并通過力錘在多層復合材料結構的左端激勵，而在右端用聲壓傳感器拾取多層復合材料結構的振動信號，并通過快速傅里葉變換獲得第一階剪切共振頻率f_t；

4)將第一階彎曲共振頻率f_f和第一階剪切共振頻率f_t與多層復合材料結構的幾何尺寸、質量參數，代入1)中的經驗公式中，分別獲得彈性模量E和剪切模量G。

1)中獲取彈性模量E的關系式如下：

其中，m是多層復合材料結構的質量，f_f是第一階彎曲共振頻率，T₁是彎曲振動下的校正系數，μ是材料的泊松比，

。

1)中獲取剪切模量G的關系式如下：

其中A和B是在剪切狀態時關于多層復合材料結構寬度b和厚度t的校正系數，

在泊松比未知時，獲得多層復合材料結構的各個力學參數的值的方法如下：

(1)當多層復合材料板的尺寸、質量以及第一階彎曲共振頻率f_f和第一階剪切共振頻率f_t被測得時，利用

獲得得到多層復合材料板的剪切模量G。

(2)通過獲得得到多層復合材料板的彈性模量E，利用彈性模量E、剪切模量G和泊松比μ的關系