[发明专利]一种利用光声本征谱分析法无损评估材料疲劳程度的方法

权利要求书

1.一种利用光声本征谱分析法无损评估材料疲劳程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使用脉冲激光器对待测材料照射脉冲激光；待测材料在光声效应激发后向周围媒质辐射声波；所述待测材料为圆柱状弹性固体；

步骤2，接收待测材料辐射出的声波信号；

步骤3，通过接收到的待测材料辐射出的声波信号计算出声波信号的时频图；在时频图的尾部得到待测材料的本征频率谱线，提取本征频率谱线得到待测材料的本征频率，该本征频率记为测得的本征频率g_i；

步骤4，处于无粘性流体中的待测材料的波动方程满足如下公式：

其中，ρ_s为弹性体密度，u为质点位移矢量，t为时间，E为杨氏模量，σ为泊松比，为Hamilton算子；

处于无粘性流体中的圆柱状弹性固体，在边界上满足3个边界条件：i)圆柱状弹性固体内的法向应力与流体内的压强相等；ii)圆柱状弹性固体内的法向位移与流体内的法向位移相等；iii)圆柱状弹性固体内切变应力的切向成分为零；

根据如上边界条件，得到圆柱状弹性固体在无粘性流体中的振动的特征方程；

圆柱状弹性固体在无粘性流体中的振动的特征方程如下：|D|＝0，其中，D＝{d_ij},i,j＝1,2,3，d₁₁＝(ρ_f/ρ_s)k_s²a²Hn⁽¹⁾(k_fa)，d₁₂＝(2n²-ks²a²)Jn(k_da)-2k_daJn'(k_da)，d₁₃＝2n[k_saJn'(k_sa)-Jn(k_sa)]，d₂₁＝-k_faHn⁽¹⁾'(k_fa)，d₂₂＝k_daJn'(k_da)，d₂₃＝nJn(k_sa)，d₃₁＝0，d₃₂＝2n[Jn(k_da)–k_daJn'(k_da)]，d₃₃＝2k_saJn'(k_sa)+[ks²a²-2n²]Jn(k_sa)；

其中，a为待测材料半径，ρ_f为周围介质密度，ρ_s为待测材料密度，H_n为n阶汉克尔函数，J_n为n阶贝塞尔函数，下标n为汉克尔函数和贝塞尔函数的阶数，k_f为介质中声波的波数，k_s为待测材料中纵波的波数，k_d为待测材料中横波的波数，k_f＝2πf/c_f,k_s＝2πf/c_s,k_d＝2πf/c_d，f为频率，c_f为介质的声速,c_d为弹性体的横波速度,c_s为弹性体的纵波速度；

求解特征方程得到待测材料的频率，得到的待测材料的频率记为特征方程计算出的本征频率f_i；

步骤5，频率误差函数F(E,σ)为：

其中，E为杨氏模量，σ为泊松比，N为用于计算频率误差的本征频率个数，f_i为特征方程计算出的本征频率，g_i为测得的本征频率，w_i为加权系数；当误差函数F(E,σ)取最小值时，反演得到的E和σ为评估值；

步骤6，利用计算出的待测材料杨氏模量E，得到疲劳损伤参数D_d＝1-E/E₀，其中，E₀是待测材料的正常弹性值,该疲劳损伤参数用于评估材料疲劳程度。