[發明專利]一種復合材料表面應力超聲測量方法

有效

• 申請號: 201910576370.2
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110231116B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 劉海波;劉天然;王永青;李亞鵬;劉彥坤;賈振元
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明一種復合材料表面應力超聲測量方法屬于超聲檢測技術領域，涉及一種復合材料表面應力超聲適應測量方法。該方法首先設計和組裝變角度超聲測量裝置，并集成超聲換能器。其次，將超聲測量裝置通過彈性聯軸器與機器人末端相連接，安裝超聲脈沖收發系統，采用超聲脈沖收發器與超聲換能器相連接。最后，標定復合材料聲彈性常數，完成表面應力測量。本發明設計和組裝了可變入射角超聲測量裝置，通過超聲入射角的可變調整，以適應復合材料超聲傳播速度的各向異性。裝置簡單緊湊，提高了測量空間分辨率。該方法可滿足面向制造現場環境的復合材料表面應力測量需求，實現機器人輔助的表面應力超聲自動掃描測量。

技術領域

本發明屬于超聲檢測技術領域，特別涉及一種復合材料表面應力超聲測量方法。

背景技術

復合材料具有比重小、比強度和比模量大等優點，廣泛應用于航空航天等重要工業領域。然而，復合材料在生產制造及應用過程中，極易受溫度、化學收縮和裝配等影響，在復合材料表面產生殘余應力，嚴重制約著零件的安全使役壽命，殘余應力無損測量對評估復合材料性能具有重要意義。殘余應力無損測量方法包括X射線衍射法，拉曼光譜法和超聲法等，超聲法具有裝置簡單、成本低、適用范圍廣等優點，是面向制造現場環境復合材料殘余應力檢測的有效手段。

基于臨界折射縱波的檢測方法對應力變化敏感性高，廣泛應用于應力超聲檢測領域。臨界折射縱波造波方法滿足Snell定律，然而，復合材料聲速傳播具有嚴重各向異性，超聲不同傳播方向具有不同的傳播速度，因此，為獲得不同方向應力狀態需要多組不同入射角度測量裝置，花費巨大，且測量期間頻繁拆卸，過程繁瑣，難以保證測量過程中不同裝置的測量重復性。通過裝置設計，形成可變入射角度，以適應復合材料超聲傳播速度的各向異性，實現面向制造現場環境的復合材料表面應力測量。

2016年，劉菲菲等在發明專利CN201410275857.4中公開了“一種復合材料超聲-聲發射檢測信號的獲取方法”，該方法采取左聲束和右聲束零接近距離布局構成超聲-聲發射復合聲束，直接接收來自被測復合材料零件中的聲發射信號，然而，該方法主要應用于復合材料缺陷檢測；2017年，張宇民等在發明專利CN201710154020.8中公開了“一種測量各向異性材料平面應力的裝置”，該方法基于各向異性三向法，設計了正八邊形的超聲斜入射楔塊，采用六個超聲換能器組成三個“一發一收”結構形式，但是，該測量裝置體積大且昂貴，測量空間分辨率低。

發明內容

本發明主要解決的技術難題是克服現有方法的不足，面向制造現場環境的復合材料表面應力測量需求，發明了一種復合材料表面應力超聲測量方法。該方法中，創新設計了可變入射角超聲測量裝置，實現了超聲入射角的可變調整，以適應復合材料超聲傳播速度的各向異性，只需一個發射探頭和一個接收探頭便可以測量任意方向超聲傳播速度。將可變入射角超聲測量裝置集成至機器人末端連接，可實現表面應力超聲自動掃描測量。

本發明采用的技術方案是一種復合材料表面應力超聲測量方法，其特征是，首先，設計并組裝變角度超聲測量裝置，并集成超聲換能器；其次，將超聲測量裝置通過彈性聯軸器與機器人末端相連接；然后，安裝超聲脈沖收發系統，采用超聲脈沖收發器與超聲換能器相連接；最后，標定復合材料聲彈性常數，完成表面應力測量。

具體步驟如下：

第一步，設計并組裝可變角度超聲測量裝置

采用的可變角度超聲測量裝置為“一發一收”結構形式，一發指發射探頭1，一收指接收探頭5；固定連接超聲測量裝置的發射端A與接收端B，保證每次測量過程中超聲傳播路徑長度d相同；在滑動組件8上部加工安裝發射探頭1和接收探頭5的螺紋孔2與緊固用圓通孔7，長螺釘6通過圓通孔7與基體部分搖桿螺紋11連接；加工滑動組件下部3與基體上部9，并保證兩者曲率相等；參考基體分度線調節滑動組件8滿足入射軸線a和接收軸線c與基面法線b成第一臨界折射角φ_θ，且三個軸線均在同一平面內，第一臨界折射角φ_θ滿足如下條件，