[發明專利]一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評價方法

有效

• 申請號: 202011339798.4
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112444563B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 羅忠兵;林莉;錢恒奎;金士杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/50;G01N29/44
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠;花向陽

一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評價方法，屬于高端裝備制造領域。利用超聲背反射法采集橫觀各向同性材料等厚板狀試樣在不同損傷階段的背反射信號；通過互相關處理計算試樣不同方向上的超聲波延時及速度，利用模擬退火優化算法反演得到垂直板面方向彈性剛度矩陣，并對其進行Bond變換得到彈性各向同性對稱軸方向彈性剛度矩陣；計算彈性模量及各向異性因子，并建立其與試樣損傷參數之間的關系。該方法可得到橫觀各向同性材料不同損傷狀態下彈性特征并進行損傷評價，與傳統方法相比具有測試精度高、無損、成本低等優勢，對力、熱、濕、輻照等多種因素導致的損傷都具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評價方法，屬于高端裝備制造領域。

背景技術

橫觀各向同性材料在很多高端裝備有著重要的應用。例如，定向凝固鎳基高溫合金廣泛用于航空發動機，碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber ReinforcedPlastics，CFRP)廣泛用于航空、航天、汽車等領域關鍵構件。相應構件在服役過程中，難免會受到溫度、濕度、紫外線輻射、外力等因素的影響，材料會發生老化、疲勞等不同形式的損傷，造成了性能的下降，因此對惡劣環境下長期服役的橫觀各向同性材料開展損傷評價顯得尤為重要。

傳統的力學測試如拉伸或彎曲等方法原理簡單，實驗測試裝置成熟，但對材料具有破壞性，測試成本高且部分參數(如非軸向彈性模量)難以測量、數據波動性大，因此必須發展無損且準確的測試方法。無損檢測評價技術不僅可以避免破壞構件本體，更可以在保留構件的性能特點的情況下發現隱藏的缺陷，其中超聲檢測憑借著其檢測靈敏度高、定位精確等特點廣泛應用于材料的缺陷檢測與性能評價中，并且利用超聲技術可以基于介質不同方向上的聲速計算彈性常數，實現對彈性性能的評價，成本低且對試樣無破壞，得到了研究者的普遍關注。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評價方法，通過對橫觀各向同性材料不同損傷狀態下彈性剛度矩陣的測量、計算，建立起彈性常數、彈性模量及各向異性因子與橫觀各向同性材料損傷參數之間的相關關系。與傳統評價方法相比，與提高測試精度高、達到無損、低成本測試的目的，對金屬和非金屬材料的濕熱、熱氧、輻照、力學等多種損傷形式都具有良好的應用。

本發明采用的技術方案為：一種基于超聲背反射的橫觀各向同性材料損傷評價方法，將橫觀各向同性材料沿平行于彈性各向同性對稱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在不同損傷階段的背反射信號；通過互相關處理計算試樣不同方向上的超聲波延時，并計算超聲波速度；之后通過模擬退火優化算法反演得到不同損傷狀態下垂直板面方向的彈性剛度矩陣，對其進行Bond變換得到彈性各向同性對稱軸方向彈性剛度矩陣；分別計算垂直板面方向彈性模量、彈性各向同性對稱軸方向彈性模量及各向異性因子，建立三者與試樣損傷參數之間的關系。具體的計算步驟如下：

(1)超聲背反射信號的采集

將橫觀各向同性材料沿平行于彈性各向同性對稱軸方向加工為等厚板狀試樣；利用超聲背反射法，分別采集試樣對應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，其中垂直板面方向背反射信號作為參考信號，其余作為工作信號；

(2)超聲波延時測量和超聲波速度計算

通過互相關處理計算工作信號與參考信號之間的延時進而計算不同入射角度下板狀試樣內超聲波速度v(θ_r)，計算方法如式(1)；

其中，θ_i是超聲波入射角，θ_r是超聲波進入試樣的折射角，v_w為水中的超聲波速度，v_n是由參考信號測得的試樣中超聲波速度，Δt₀是垂直入射時有、無試樣狀態下超聲波延時，是工作信號與參考信號之間的延時，h是板狀試樣厚度。

(3)彈性常數計算