基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析*

应力系数的标定作为超声应力检测最为关键的环节,直接决定应力检测结果的准确性。传统的应力系数试验标定对于被测物的表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等因素十分敏感,但缺少基本参照值。基于COMSOL建立多物理场耦合的超声应力检测模型,施加不同的拉伸载荷,计算临界折射纵波到达时间与不同应力值之间的关系,模拟标定45#钢的超声应力系数为13.7MPa/ns。单轴水平拉伸试验标定的45#钢应力系数为16.5MPa/ns。结果表明,通过两种方法标定的应力系数较为接近,试验标定的应力系数偏大,这是由于有限元方法能够消除试验过程中各种不确定因素对声时精确测量所造成的影响,能够更加纯粹的反映材料的声弹性效应,因此具有作为基础数据的参考价值。有限元方法作为传统试验方法的补充,可以减小试验标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。     

螺栓拉应力超声无损检测方法

本文依据声弹性原理中超声波传播速度与应力之间的对应关系,利用横波与纵波联合测量的办法,给出栓体长度未知的紧固螺栓轴向应力测量办法。针对螺栓在低载荷与高载荷不同情况下的栓体轴向应力测量系数不同的状况,分类进行了讨论,并给出对应载荷条件下应力测量系数的计算办法。文章讨论了A2-70奥氏体不锈钢与强度等级4.8低碳钢两种不从材质螺栓的轴向应力测量结果,实际测量与理论测量平均误差小于2.9367%,提高了横纵波轴向应力测量的精度。     

SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究

准确测量和分析SiC纤维增强Ti合金复合材料(SiC_f/Ti)中残余应力状态对优化复合材料的成型工艺和理解其失效模式具有重要意义,但其残余应力的实验测量和分析仍是一个挑战.石墨C涂层作为SiC纤维与Ti17基体合金之间必需的扩散障涂层,承载了由纤维与基体之间热不匹配引入的残余应力.本文采用显微拉曼光谱法对比测量纤维表面C涂层在复合材料中和去掉基体无应力态下G峰的峰位,通过石墨C涂层应力态下峰位移动计算出SiCf/C/Ti17复合材料中SiC纤维受到～705.0 MPa的残余压应力.采用X射线衍射方法测量了不同方向上该复合材料中基体钛合金的晶面间距以获取其空间应变,根据三轴应力模型分析了复合材料中基体钛合金沿轴向方向的残余应力为～701.3 MPa的张应力,并通过线性弹性理论转化为SiC纤维的残余压应力为～759.4 MPa.两种测试方法都确定了SiC纤维在成型过程中受到残余压应力,且获得的应力值较为接近,都可以用于对SiC_f/Ti复合材料的残余应力测量.     

超声双折射法测试铝合金的内部应力

声各向同性的金属材料在应力作用下表现出声各向异性,这是用声弹性法分析材料内部应力的基础。本文用偏振方向平行或垂直于应力方向的超声纯横波对LY11型铝合金进行测试。实验结果表明:材料在拉、压单轴应力作用下,偏振方向平行和垂直于应力方向的超声纯横波的声速都发生了变化。实验在分析材料声各向异性的基础上计算材料声弹性双折射系数,得到测试LY11型铝合金内部应力的理论公式,并对其内部的残余应力进行评估。实验中利用双换能器回振法测量声速,时间测试精确度可达10^-11s,可精确测量声速的微小变化量。     

激光透射成像法测量石英管的外径与壁厚

为了同时同位测量石英管的外径和壁厚,建立了激光透射成像系统,对系统测量原理进行研究。基于几何光学和菲涅尔公式,分别导出平行光垂直照射石英管后的透射光线偏向角、相对光强与入射光线离轴距离之间的关系;通过数值计算,分析了偏向角、相对透射光强随入射光线离轴距离的变化特点;针对物方远心光路,分析了光阑对偏向角和相对光强的限制;基于CCD成像原理,通过引入标定系数和补偿因子,导出石英管外径与壁厚的计算公式。实验结果表明:外径绝对误差和相对误差的平均值分别为0.119mm和0.91%,壁厚绝对误差和相对误差的平均值分别为0.153mm和6%。     

微机化超声螺栓轴向应力仪的原理与误差分析

本文提出用沿轴向纵波声时差以测螺栓的轴向应力，推导了声时差与应力的关系．利用声时差测螺栓轴向应力，能克服耦会误差”“，同时还能克服温度引起的伸缩及波速变化的声时误差·本文还导出并且从实验上测出了，只与螺栓材料有关，而与螺栓的夹紧长度，直径，总长无关的常数，简化了测量过程．经实验测定，在夹紧长度大于30mm，应力低于240MPa时，应力最大误差小于±4MPa．本文还分析了声时，夹紧长度测量误差所导致的应力误差．     

偏振相机的透明元件应力测量北大核心CSCD

应力检测对光学元件的制造和使用意义重大。基于应力双折射原理,提出了一种利用偏振相机测量应力分布的方法。根据Stokes矩阵和Mueller矩阵推导出应力值及应力方向计算公式,并对影响系统测量精度的主要误差进行了理论分析。为验证方法的可行性,搭建了一台测量应力分布的装置。使用该装置测量一块633 nm的四分之一波片,测得其误差为0.86 nm。进一步测量,得出一块车灯透镜的全场应力相位延迟量与应力方向图,利用所测相位延迟量计算出透镜中心区域的应力双折射值为9.21 nm/mm、主应力差为2.45 MPa;利用符号规则调整了透镜的应力方向,结果符合应力连续性原则。该方法测量应力分布时无需旋动光学元件,可实现应力延迟量及应力方向的实时测量。     

超声波轴向应力仪的研制

本文叙述了用超声方法测量材料轴向应力的计算公式,介绍了超声波轴向应力仪的工作原理,并利用该仪器对M36×260高强度螺栓进行了轴向应力的测量。实验结果表明:该仪器的声时测量精度为10~(-10s),轴向应力的测量精度优于0.4kgf/mm~2(约3.9N/mm~2)。     

应用数字散斑投影测量纸页厚度

传统的纸张厚度测量方法只能测量纸页某一点厚度, 该类方法会因为纸张厚度全场分布不匀带来测量误差。针对该问题, 提出利用数字散斑投影的纸页厚度检测方法, 向待测纸页投射散斑图案, 并构建散斑投影的实验测量系统, 通过三维数字图像相关的算法处理, 得到纸页的形貌以及厚度。实验表明, 对纸张厚度名义值为0.180 mm的实验样品进行测量, 结果为0.177 mm, 对该方法进行重复实验, 测得的相对误差小于4%, 而且该方法能够直观地显示纸页的全场分布。此外, 提出的纸页厚度测量方法具有结构简单、非接触式测量、全场测量等优点, 为纸页生产中的厚度检测提供了新思路。     

基于双CCD的大型轴类零件直径非接触检测方法研究

针对重型机械工业生产中对大型轴类零件外径测量的需求,基于双CCD传感器测量原理研究了一种新型高效率、高精度的轴径检测方法。介绍了CCD测径系统的检测原理,针对单一CCD传感器测量范围小的缺点,提出了双CCD传感器组合测量大型轴类零件直径(Φ150mm~Φ300mm)的方法,并对影响精度的主要误差来源进行了分析。为了验证该方法的有效性,通过对7种不同直径的标准轴件进行测量,实验表明,测量精度小于±3μm,满足大型轴类零件外径测量的要求。     

Laser ultrasonic diagnostics of residual stress

Ultrasonic NDE is one of the most promising methods for non-destructive diagnostics of residual stresses. However the relative change of sound velocity, which is directly proportional to applied stress, is extremely small. An initial stress of 100 MPa produces the result of deltaV/V approximately 10(-4). Therefore measurements must be performed with high precision. The required accuracy can be achieved with laser-exited ultrasonic transients. Radiation from a Nd-YAG laser (pulse duration 7 ns, pulse energy 100 microJ) was absorbed by the surface of the sample. The exited ultrasonic transients resembled the form of laser pulses. A specially designed optoacoustic transducer was used both for the excitation and detecting of the ultrasonic pulses. The wide frequency band of the piezodetector made it possible to achieve the time-of-flight measurements with an accuracy of about 0.5 ns. This technique was used for measuring of plane residual stress in welds and for in-depth testing of subsurface residual stresses in metals. Plane stress distribution for welded metallic plates of different thicknesses (2-8 mm) and the subsurface stress distribution for titanium and nickel alloys were obtained. The results of conventional testing are in good agreement with the laser ultrasonic method.     

纵横波测已紧固螺栓轴向应力

本提出了用纵横波声时测已紧固螺栓轴向应力的一种新方法,解决了用超声精确地测已紧固螺栓应力问题,并且利用超声波沿轴向传播的波速同轴向应力以及三阶弹性常数的关系导出了螺栓应力同其材料声速特性、夹紧距离、温度及纵、横波声时的一种新关系,考虑了受应力作用时温度对声速的影响,简化了测量及计算过程,本还介绍了材料的声速特性实验及测量方法;实验结果表明应力低于２５０ＭＰａ,夹紧距离大于３０ｍｍ时,应力超声测     

Ultrasonic evaluation of residual stresses in flat glass tempering by an original double interferometric detection

In industrial thermal tempering of glass, the knowledge of the homogeneity of compressive residual stress field on the glass product is fundamental to guarantee the quality of the tempered glass product. In this paper, we use the acoustoelasticity phenomenon in order to estimate the residual stress distribution by using acoustic surface wave. We present an experimental setup based on a double interferometric detection in which an aspheric lens is associated with a beam splitter and a YAG laser whose power is 100 mW. This relative high power enables us to carry out measurements on surface flat glass although optical reflection coefficient is typically weak (< 10%). Using these two points of detection, the evolution of relative surface wave velocity is obtained with a good accuracy. At last, a comparison between the numerical modeling and experimental results shows the potentiality of an ultrasonic method to estimate stress distribution in flat glass tempering.     

金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响

 通过X射线应力测试和有限元分析相结合的方法,研究了金刚石层厚度对聚晶金刚石复合片（PDC）残余应力的影响,并根据实验测试结果推导出了PDC表面中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式。随着金刚石层厚度由0.5 mm增加到2.0 mm,PDC表面中心的压应力从1 800 MPa下降至700 MPa左右,而边缘部分的应力逐渐由压应力转为拉应力。金刚石层加厚虽然对边缘部分的最大拉应力影响不大,但使PDC边缘拉应力区宽度由0.76 mm增加到了2.85 mm。金刚石层厚度的增加还使得PDC边缘界面附近y方向的最大拉应力和位于界面边缘处的最大剪应力显著加大,这是金刚石层较厚的PDC界面容易产生裂纹的主要原因。     

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。     

激光冲击对不锈钢焊接接头残余应力场的影响

针对不锈钢焊接接头存在残余应力且分布不均匀、容易发生应力腐蚀的问题,采用激光冲击强化对其进行处理,探究激光功率密度和冲击次数对表面残余应力状态的优化作用,并通过应力腐蚀试验验证优化效果。结果表明:随着功率密度增加,表面残余应力明显下降,但下降幅度逐渐减小,功率密度4.24GW/cm2与2.83GW/cm2冲击产生的残余应力相差不大,熔合区还存在残余拉应力,说明高功率密度不足以消除表面残余拉应力;随着冲击次数增加,残余拉应力显著降低,2.83GW/cm2冲击3次之后,残余拉应力完全消除,局部最高应力梯度从54.7 MPa/mm下降到11.7 MPa/mm,获得了高数值、分布均匀的残余压应力层。激光冲击强化后,焊接试样的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%,激光冲击强化产生的残余压应力是其应力腐蚀抗性提高的重要原因。     

Measurement of velocity distribution for longitudinal acoustic waves in welds by a laser optoacoustic technique

An optoacoustic technique for diagnostics of residual stress in metals is proposed. The theoretical part of the technique employs acoustoelastic relations establishing a linear relationship between the biaxial residual stress and the relative variation of the velocity of longitudinal ultrasonic waves. The experimental technique is based on laser excitation of nanosecond ultrasonic pulses at the surface of samples under investigation and their detection with a high time resolution. Distributions of the relative variation of longitudinal wave velocities due to the presence of residual stress in the samples are obtained.     

Effect of anisotropy on acoustoelastic birefringence in wood

The ultrasonic velocity of shear waves propagating through radial direction of a wood plate specimen, transversely to the loading direction, was measured. By rotating an ultrasonic sensor, the oscillation direction of the shear waves was varied with respect to the wood plate axis and loading direction. The relationship between shear wave velocity and oscillation direction was examined to discuss the effect of anisotropy on the acoustoelastic birefringence in wood. The results obtained were summarized as follows. When the oscillation direction of the shear wave corresponded to the tangential direction of the wood specimen regardless of the stress direction, shear wave velocity decreased markedly and the relationship between shear wave velocity and rotation angle tended to become discontinuous. That is, when the shear waves oscillated in the anisotropic axis of the wood, the shear wave velocity peaked unlike in the case of oscillation in the stress direction. In an isotropic material (acrylic, aluminum 5052), on the contrary, when the shear waves oscillated in the stress direction of the specimen, the shear wave velocity peaked regardless of the main-axis direction of the specimen. On the basis of the discussion of these results, the ultrasonic shear wave propagating in wood under stress is confirmed to be polarized in the anisotropic axis of the wood.