[發明專利]一種用于測量含能藥柱表層周向壓應力的超聲無損檢測方法

有效

• 申請號: 202110853724.0
• 申請日: 2021-07-28
• 公開（公告）號: CN113639911B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 潘勤學;李雙陽;徐曉宇;張云淼;常梅樂;李颯;李偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種用于測量含能藥柱表層周向壓應力的超聲無損檢測方法，包括檢測裝置、驗證—加載裝置和檢測方法，其特征在于：

A.檢測裝置：由工控機、聚四氟乙烯楔塊及縱波超聲換能器組成；基于超聲波在介質中的傳播理論，建立表層殘余應力與聲時變化量的數學關系；對環狀含能藥柱進行壓應力加載實驗并進行超聲檢測，利用互相關算法計算出不同壓應力狀態下超聲波傳播的聲時變化量；對加載的壓應力和對應的聲時變化量進行擬合，確定環狀含能藥柱超聲檢測系數，最終得到環狀含能藥柱周向壓應力和聲時變化量的關系式；

B.驗證—加載裝置：由環狀含能藥柱、加載-驗證裝置左壓柱、螺紋套筒、施力螺母、推力球軸承、環狀壓力傳感器及加載-驗證裝置右壓柱組成；調節施力螺母將驗證—加載裝置右部分推動壓緊環狀含能藥柱右端，進行階段式施加載荷，在每一個應力階段進行讀數，獲取此時的周向應力值；

C.檢測方法：在應力檢測驗證階段，檢測環狀含能藥柱在受到周向應力和無應力狀態下的聲時差，利用之前測得的環狀含能藥柱周向力超聲檢測系數計算受到的周向應力，與環狀壓力傳感器的讀數進行比較，驗證周向應力的檢測的有效性及準確性；

其中，驗證—加載裝置左壓柱置于環狀含能藥柱的直徑方向的內表面,依次將螺紋套筒、施力螺母、推力球軸承、環狀壓力傳感器以及加載-驗證裝置右壓柱同心置于環狀含能藥柱內部,由于施力螺母和螺紋套筒有裝配插孔,將施力螺母與螺紋套筒進行裝配，初始未施加應力時,調節施力螺母使加載-驗證裝置右壓柱和環狀含能藥柱的右部內端面完全接觸,施加一定的預緊力,但保證此時的環狀壓力傳感器讀數為零。

2.根據權利要求1所述的一種用于測量含能藥柱表層周向壓應力的超聲無損檢測方法，其特征在于：檢測裝置中所述的“基于超聲波在介質中的傳播理論，建立表層殘余應力與聲時變化量的數學關系”，其具體做法如下：

根據Snell定理，當超聲波從一個低聲速介質傳播到高聲速介質時會發生聲波的折射現象，當折射角度等于90°時對應的聲波入射角度稱為第一臨界角，計算公式如下所示：

式中:

α_CR—第一臨界角(°)；

c_L1—聲速較慢的介質中的縱波波速(m/s)；

c_L2—聲速較快的介質中的縱波波速(m/s)；

聲波經折射后沿環狀含能藥柱表面傳播，對于環狀含能藥柱周向殘余應力的檢測,根據Snell定理和楔塊及環狀含能藥柱材料聲速計算在臨界折射縱波的第一臨界角；

在采用臨界折射縱波法進行應力測量時,由于聲波傳播的距離不變,由于聲速的變化量無法精確測量,用傳播的聲時變化量來反映聲速變化；當臨界折射縱波波速增加時,表征材料此時存在殘余壓應力；反之,則存在殘余拉應力,在材料特性參數確定的條件下,臨界折射縱波波速變化量與殘余應力變化量之間的關系如下：

式中:

dσ—殘余應力的變化量(MPa)；

dV—聲波波速變化量(m/s)；

V₀—零應力狀態下介質的初始聲速(m/s)；

k—聲彈性系數(ns/m²)；

當臨界折射縱波傳播的距離L確定后,被測介質中的聲速由傳播聲時來表征,如下式：

式中:

dt—臨界折射縱波傳播的聲時變化量(s)；

T₀—零應力狀態下超聲縱波在被測介質中傳播的初始聲時(s)；

令應力常數K＝-2/kT₀，其中T₀是零應力條件下縱波傳播固定距離L所需要的時間，此時應力變化與超聲波傳播聲時變化成線性關系。