残余应力的超声横纵波检测方法

基于声弹性原理,研究板材厚度方向、螺栓轴向方向(以下简称z轴方向)宏观残余应力分布的超声无损检测方法。针对被测构件厚度不均匀对应力检测精度的影响非常大、检测原理繁杂不适合工程应用、拉伸实验中拉伸形变对应力系数测量精度的影响很大等问题,采取超声横波、纵波相结合的方法重新推导检测公式,并提出采用一发一收模式进行拉伸实验,通过对实验数据进行拟合,由公式计算出声弹性系数代替应力系数。然后结合插值、互相关等算法,采用VC++编制z轴方向残余应力超声检测软件并搭建检测系统。分别对性能为A2-70,4.8,8.8,长度依次为135 mm,100 mm,100mm的M20的螺栓进行拉伸实验,比对计算拉伸应力与检测拉伸应力,结果表明,该测量系统的绝对误差限为20 MPa,相对误差小于25%,且应力值较大时,相对误差有所减小,当应力值大于100 MPa时,相对误差小于5%,非常实用。      

布拉格光栅应变测试系统的动态标定

为了能够简单精确地标定出Bragg光栅应变测试系统的应变拉伸系数,通过分析测试系统的解调原理,提出了运用陶瓷制动器的逆压电效应标定该系统的方法。对系统的8路应变测试通道进行了标定实验,将每路通道的实验数据进行线性拟合,分别得到了Bragg光栅应变拉伸量与解调信号相位差的关系曲线,从而确定了每路通道的应变拉伸系数,分析表明系数的标定相对误差在0.002 m/（）以内,标定结果具有较高的精度。     

静水压加载单晶MgO的超声测量与压力标定

通过对单晶MgO的高压声速测量,结合高压Brillouin散射数据,对静水压加载条件下六面顶压机高压腔中的压力进行了多点系统标定(系统油压从15 MPa到51 MPa,间隔2 MPa),建立了新的大腔体压机超声测量和压力标定技术。相比传统的仅采用2~3个标定压力点的方法,该技术在统计上更加可靠。结合LY12铝的高压声速测量,进一步验证了该压力标定方法的合理性。与固体传压组装相比,固液混合传压组装在相同油压下的压力值系统偏低,分析认为这主要是由于固体传压介质中的剪切效应导致标定压力值系统偏高造成的。     

P92钢焊接接头蠕变损伤的非线性超声检测研究

为解决P92钢焊接接头蠕变损伤的无损检测问题,该文选用温度为650℃、施加应力为95 MPa的加速试验方法,制作不同蠕变时间的试样,对P92钢焊接接头进行蠕变性能试验。采用非线性超声波技术和金相检测对蠕变试样焊接接头各区域进行研究。结果表明:P92钢焊接接头母材、热影响区以及焊缝区域的非线性超声二次谐波幅值在蠕变试验后都呈上升趋势,在热影响区中的增加速率要快于其在母材和焊缝中,P92钢焊接接头热影响区非线性二次谐波参数的变化与蠕变损伤严重程度存在对应关系。该文为开展P92钢焊接接头蠕变损伤的无损检测工程应用打下了坚实的基础。     

超导材料拉伸应力下临界电流测试装置

本文提出了一种测试装置, 用于测试超导材料在拉伸应力下的临界电流特性. 装置的固定臂与活动臂配合,给样品材料施加拉伸应力. 测试前对作为称重传感器的固定臂进行了应力标定, 并通过理论计算验证了标定的准确性. 在此基础上, 本文对固定臂进行了三维有限元分析, 探究装置是否满足后续实验的要求. 分析结果表明, 固定臂与活动臂相互配合可以给样品施加满足实验条件的拉伸应力.     

杆中导波声弹性效应分析与数值模拟研究*

大型钢结构在役应力检测意义重大,基于超声导波声弹性效应进行应力检测具有潜在的优势。本文基于等效弹性常数法研究了杆中超声导波的声弹性效应。通过计算典型钢结构构件钢杆的频散曲线,确定了检测频率范围,对不同工作应力状态下L（0,1）、F（1,1）与T（0,1）模态的群速度值进行了理论分析与数值模拟。结果表明： L（0,1）模态较适合于钢杆轴力检测, F（1,1）、T（0,1）模态声弹性效应较弱,不适合于应力检测; L（0,1）模态的声弹性效应随着频率的增加而减弱;理论分析与有限元计算对声弹性效应的验证都与波结构轴向位移对声弹性效应的判断得到了较好的吻合。     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。     

CFRP布/树脂胶复合条带的抗拉力学性能

碳纤维聚合物(CFRP)编织布和环氧树脂胶已被广泛应用于工程结构的外贴抗爆加固。为了了解CFRP布/树脂胶复合成型材料的基本力学性能,系统开展了标准复合条带试件的准静态拉伸力学试验,得到了拉伸应力-应变全过程曲线,并基于试验结果标定了有限元模型的关键材料参数。研究结果表明:CFRP布/树脂胶复合成型材料呈现明显的弹脆性特点,抗拉强度能够达到4 100MPa,外贴树脂胶能够显著降低CFRP布力学性能指标的离散性,保证CFRP布材料特性的充分发挥;初始树脂粘贴缺陷对条带试件的破坏形态和抗拉性能有显著影响,外贴树脂胶的施工均匀度对加固工程结构的抗爆性能至关重要。     

声双折射法研究再结晶退火处理对45#钢微观组织的影响

本文在研究超声测试应力的过程中为了减小材料组织结构以及残余应力对应力测试结果的影响,对45#钢试样进行再结晶退火热处理,并用超声双折射法研究试样的再结晶退火组织,分析其微观组织和各向异性。实验结果表明,试样中横波声速随其偏振化方向改变而变化,存在声速快轴和慢轴且两者相互垂直;试样经650℃炉温,保温40分钟炉冷再结晶退火热处理后,声各向异性因子小,表现出材料微观组织均匀,晶粒细,各向异性小,并与金相实验结果一致。     

20~#钢不同晶粒度试件拉伸损伤试验的声发射特性研究

采用声发射技术,对四种不同晶粒度20~#钢试件的单轴拉伸过程进行监测,探究不同晶粒度对于金属材料损伤过程中声发射特性的影响。试验结果表明:声发射信号的幅值、能量和撞击计数等特征参数能够很好地描述材料不同晶粒度大小对材料拉伸过程中声发射特性的影响。细晶粒试件声发射信号数较少,强度较低,随着试件晶粒度的增大,声发射信号的强度和活性呈现明显增加的趋势。说明粗晶粒试件力学性能劣化严重,拉伸过程极易损伤,因此,试验结果也反映了金属材料微观损伤过程中声发射与材料内部的损伤演化密切相关。     

Experimental study on the surface stress measurement with Rayleigh wave detection technique

In this paper, experimental study on the surface stress measurement of a metallic material based on the Rayleigh wave acoustoelastic theory is introduced. A Rayleigh wave acoustoelastic formula deduced by Husson is optimized to estimate the surface stress of the material. Two micro Rayleigh wave transducers with 5 MHz frequency one of which is used for acoustic pulse emitter and another for receiver are used to determine the time of flight of Rayleigh wave propagating in a certain distance along the surface of the material. The difference in time of flight between two ultrasonic signals obtained in stressed and unstressed object surface is identified by the digital correlation method. A specimen made of Q235 steel and applied with tensile load is used for calibration to obtain the acoustoelastic coefficients of Q235 steel. Furthermore, some principal factors which may result in errors in the experiment are discussed and some measurements are proposed to prevent these errors. Finally the surface stress of a cantilever beam is detected by the Rayleigh wave acoustoelastic technique and the experimental result is well compared with the theoretical value.     

背衬参数对厚度模压电换能器特性的影响

系统研究了厚度模压电换能器的背衬厚度、声阻抗率及机械损耗因子对换能器振动性能影响,重点分析了在所关心频率附近的有效机电耦合系数和机械品质因数。计算结果表明,随着背衬厚度增大,换能器的有效机电耦合系数和机械品质因数均震荡减小;背衬声阻抗率与压电片声阻抗率差值增大,换能器有效机电耦合系数减小,机械品质因数增大;保持压电片厚度不变,增大背衬的机械损耗因子,换能器有效机电耦合系数单调减小,机械品质因数有极小值,在给定频率范围内电特性曲线趋于光滑。用有限元方法验证了等效电路计算方法的正确性,并对比了换能器的测试结果和计算结果。计算所得规律为厚度模压电换能器的设计和实验制作提供了理论依据。      

超声脉冲窄带激励的水泥环第二界面探测方法*

如何评价水泥环的第二界面固井质量一直是声波测井领域的世界性难题。本文利用有限元方法研究了基于超声脉冲反射法的水泥环第二界面固井质量探测方法。数值模拟了不同声源脉冲宽度及不同声阻抗地层对第二界面超声反射回波的影响。研究结果表明采用窄带的激励信号源可有效的提高水泥环第二界面反射波回波幅度,有望解决水泥环第二界面固井质量评价问题。制作了水泥环第二界面具有胶结缺陷的实验室样品及大型固井质量刻度井,在此基础上开展了基于窄带超声脉冲激励的实验室及刻度井群实验研究。实验结果表明满足水泥环第一界固井质量良好条件,采用窄带的超声脉冲回波技术可有效评价水泥环第二界面固井质量。     

纳米填充硅橡胶超声干耦合特性*

针对工业超声无损检测领域干耦合材料种类匮乏,且声能透射率低的问题,论文在室温硫化硅橡胶基底材料中添加不同成份和配比的纳米颗粒,制备了不同种类的干耦合材料,给出了干耦合条件下超声波的传输模型,得到了声学传输规律,对比分析了干耦合材料种类、厚度、硬度、超声中心频率及载荷因素对声能传输特性的影响。搭建了声学特性测试实验平台,分别对添加氧化铝、铁和二氧化硅纳米颗粒制备的干耦合材料进行了测定,试验结果表明填充二氧化硅质量分数为5%时,所形成的纳米填充硅橡胶的声阻抗提高了13.5%,使用200kPa预载荷对试块测量时回波幅值提高了18.0%,具有良好的声耦合性能。可为实际超声检测时干耦合材料的制备及应用提供参考。     

Dynamic evaluation of flaw size in ultrasonic testing of steel plates

The paper deals with the problems of ultrasonic non-destructive testing of steel plates, such as distance sensitivity, acoustic coupling, flaw position dependence and their influence upon the flaw size evaluation, and describes equipment for the automated testing of circular stampings and their classification according to the size and number of flaws detected.     

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。     

Digital image correlation for large deformation applied in Ti alloy compression and tension test

In this paper, digital speckle correlation is used in the measurement of Ti alloy compression and tension test. The key technologies applied in the measurement are discussed in detail, including camera calibration with telephoto lens and digital image correlation in large deformation. Single camera self-calibration algorithm based on photogrammetry is proposed. In the algorithm, the interior parameters of camera are estimated without calibrated object, using the bundle adjustment technique, so the 3-D coordinates of calibration target points are not needed in advance to get a reliable camera calibration result. An updating reference image scheme could be employed to deal with large deformation situation. A large deformation measurement scheme, updating reference image scheme, is proposed in this paper. The un-deformed image is used as reference in correlation at first. Only for extremely large deformation field, in which iteration of correlation is not convergent, the reference image is updated to the image of previous deformed stage. Using this method, not only extremely large deformation can be measured successfully but also the accumulated error could be controlled. The 75 mm lens is calibrated in the measurement and compared the result with extensometer and un-calibrated image. Experimental results show that up to 150% tensile deformation and 50% compression deformation can be measured successfully.     

Investigation on stress distribution of multilayered composite structure (MCS) using infrared thermographic technique

In this paper, the thermoelastic stress analysis (TSA) on a multilayered composite structure (MCS) was investigated by means of lock-in thermographic image technique (LITI). The application of thermoelastic stress analysis on MCS becomes particularly complicated due to consisting of different material components, which determines the different thermoelastic coupling response depended on material thermal-physical property. The thermoelastic coupling constants (TCC) of GFRP, medium-carbon steel and foam were obtained through thermomechanical calibration experiments, respectively. An artificial neural network was proposed to determine the component of MCS. Comparisons between finite element analysis (FEA) and LITI measurement are reported. It is found that the stress distribution of MCS can be evaluated with good accuracies using LITI measurement.