[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評(píng)價(jià)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011339798.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112444563B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅忠兵;林莉;錢(qián)恒奎;金士杰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N29/07
• 分類(lèi)號(hào): G01N29/07;G01N29/50;G01N29/44
• 代理公司: 大連星海專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠;花向陽(yáng)

1.一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評(píng)價(jià)方法，其特征在于，所述材料損傷為熱氧損傷；

具體的計(jì)算步驟如下：

(1)超聲背反射信號(hào)的采集

將橫觀各向同性材料沿平行于彈性各向同性對(duì)稱(chēng)軸方向加工為等厚板狀試樣；利用超聲背反射法，分別采集試樣對(duì)應(yīng)彈性各向同性面與彈性各向異性面在不同損傷階段的背反射信號(hào)，其中垂直板面方向背反射信號(hào)作為參考信號(hào)，其余作為工作信號(hào)；

(2)超聲波延時(shí)測(cè)量和超聲波速度計(jì)算

通過(guò)互相關(guān)處理計(jì)算工作信號(hào)與參考信號(hào)之間的延時(shí)進(jìn)而計(jì)算不同入射角度下板狀試樣內(nèi)超聲波速度v(θ_r)，計(jì)算方法如式(1)；

其中，θ_i是超聲波入射角，θ_r是超聲波進(jìn)入試樣的折射角，v_w為水中的超聲波速度，v_n是由參考信號(hào)測(cè)得的試樣中超聲波速度，Δt₀是垂直入射時(shí)有、無(wú)試樣狀態(tài)下超聲波延時(shí)，是工作信號(hào)與參考信號(hào)之間的延時(shí)，h是板狀試樣厚度；

(3)彈性常數(shù)計(jì)算

C₁₁是與各向同性面內(nèi)超聲波縱波速度相關(guān)的彈性常數(shù)，C₆₆是與各向同性面內(nèi)超聲波橫波速度相關(guān)的彈性常數(shù)；C₁₁和C₆₆由彈性各向同性面內(nèi)超聲波速度計(jì)算，計(jì)算公式如式(2)和式(3)所示；

其中，ρ為試樣密度，v_L為彈性各向同性面內(nèi)超聲波縱波速度；

其中，v_T為彈性各向同性面內(nèi)超聲波橫波速度；

利用模擬退火優(yōu)化算法求取復(fù)雜非線(xiàn)性問(wèn)題的全局最優(yōu)解，反演彈性常數(shù)；定義目標(biāo)函數(shù)F為理論計(jì)算超聲波速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量超聲波速度之差的平方，如式(4)所示；

式中，N為測(cè)量聲速數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，是將彈性常數(shù)嘗試解代入Christoffel方程得到的超聲波速度，V_i^exp為實(shí)驗(yàn)測(cè)量超聲波速度；θ_i為超聲波入射角；取退火溫度差異量級(jí)為10^-5℃，函數(shù)容許誤差量級(jí)為10^-9(m/s)⁴；通過(guò)已計(jì)算得到的C₁₁和C₆₆，迭代反演計(jì)算帶有C₁₁、C₆₆、C₁₃、C₃₃和C₄₄的Christoffel方程的非奇異解，得到彈性常數(shù)C₁₃、C₃₃和C₄₄的全局最優(yōu)解，即獲得垂直板面方向彈性剛度矩陣C_ij(90°)，如式(5)所示，C₁₁、C₆₆、C₁₃、C₃₃和C₄₄是其5個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)；

其中彈性常數(shù)C₁₂＝C₁₁-2C₆₆；

(4)彈性剛度矩陣變換

對(duì)式(5)進(jìn)行Bond變換，將垂直板面方向旋轉(zhuǎn)角度α＝90°得到彈性各向同性對(duì)稱(chēng)軸方向彈性剛度矩陣C_ij(0°)，M₁(α)是Bond變換矩陣，C_ij(90°)是垂直板面方向彈性剛度矩陣，α是垂直板面方向的旋轉(zhuǎn)角度；計(jì)算方法如式(6)所示，其中彈性常數(shù)C₂₃＝C₂₂-2C₄₄，C₁₁、C₁₂、C₂₂、C₄₄和C₅₅是C_ij(0°)的5個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)；

其中α＝90°時(shí)，

(5)彈性模量計(jì)算

對(duì)式(6)求逆可得到彈性各向同性對(duì)稱(chēng)軸方向柔度矩陣S如式(7)所示；

彈性各向同性對(duì)稱(chēng)軸方向彈性模量E₁及垂直板面方向彈性模量E₂通過(guò)柔度系數(shù)S₁₁、S₂₂求得，計(jì)算方法如式(8)和式(9)所示；

(6)各向異性因子計(jì)算

依據(jù)(6)中C_ij(0°)的彈性常數(shù)C₁₁、C₁₂、C₄₄計(jì)算各向異性因子A_r，其計(jì)算方法如式(10)；

(7)損傷相關(guān)關(guān)系建立

重復(fù)步驟(1)至步驟(6)，獲得橫觀各向同性材料在不同試樣損傷參數(shù)下的C_ij(0°)彈性常數(shù)、彈性模量及各向異性因子；建立式(6)中C_ij(0°)的彈性常數(shù)C₁₁、C₁₂、C₂₂、C₄₄和C₅₅與試樣損傷參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；建立式(8)、(9)中彈性模量E₁、E₂與試樣損傷參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；建立式(10)中各向異性因子A_r與試樣損傷參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)試樣熱氧老化的多參量表征。