[发明专利]一种基于超声层析成像的应力场测量方法

权利要求书

1.一种基于超声层析成像的应力场测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、标定试验：制备零应力拉伸试样，并在零应力拉伸试样上进行超声波应力标定试验，得到平行于拉伸方向的名义声弹性系数K₁和垂直于拉伸方向的名义声弹性系数K₂；

S2、确定投影系数矩阵：根据超声换能器阵列和像素点的几何关系确定投影系数矩阵S；所述超声换能器阵列是由若干个超声换能器组成，用于布置在被测场域四周，每个超声换能器都可以用于激发和接收超声信号；

S3、零应力基准采集：制备零应力试样，在零应力试样的被测场域四周布置步骤S2中所述超声换能器阵列，按照顺时针或逆时针顺序依次激发所述超声换能器阵列中的每个超声换能器，并且当所述超声换能器阵列中的各个超声换能器被激发时，对应的所述超声换能器阵列中未被激发的超声换能器用于接收超声信号；通过按照顺时针或逆时针顺序依次激发所述超声换能器阵列中的每个超声换能器，获得零波形数据集，记为其中上角标0表示零波形，M表示超声传播路径数目，i表示超声传播路径的编号，i＝1,2,…,M，则表示第i条超声传播路径下的零波形数据；

S4、测量数据采集：在测试工件的被测场域四周布置步骤S2中所述超声换能器阵列，按照步骤S3的所述超声换能器阵列中的每个超声换能器的激发顺序依次激发所述超声换能器阵列中的每个超声换能器，并且当所述超声换能器阵列中的各个超声换能器被激发时，对应的所述超声换能器阵列中未被激发的超声换能器用于接收超声信号；通过按照步骤S3的所述超声换能器阵列中的每个超声换能器的激发顺序依次激发所述超声换能器阵列中的每个超声换能器，获得测试波形数据集，记为其中上角标t表示测试波形，M表示超声传播路径数目，i表示超声传播路径的编号，i＝1,2,…,M，则表示第i条超声传播路径下的测试波形数据；

S5、延时计算：使用互相关算法求解得到所述零波形数据集和所述测试波形数据集之间对应的应力时延向量ΔT；

S6、求解应力场方程：使用层析成像算法求解应力场方程SP＝ΔT，得到应力向量P；其中，S是由步骤S2中根据超声换能器阵列和像素点的几何关系确定的投影系数矩阵，ΔT是由步骤S5中使用互相关算法求解得到的所述零波形数据集和所述测试波形数据集之间对应的应力时延向量；

S7、绘制应力场图像：根据求解得到的所述应力向量P绘制测试工件的应力场图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声层析成像的应力场测量方法，其特征在于：所述步骤S1的具体做法包括：

S1-1、制备零应力拉伸试样，将零应力拉伸试样夹持在拉伸机上，并且在零应力拉伸试样的被测场域上沿拉伸方向和沿垂直于拉伸方向分别布置超声换能器对；

S1-2、开启沿拉伸方向的超声换能器对，在零应力及不同应力加载状态下进行超声波应力标定试验，得到平行于拉伸方向的名义声弹性系数K₁；

S1-3、开启沿垂直于拉伸方向的超声换能器对，在零应力及不同应力加载状态下进行超声波应力标定试验，得到垂直于拉伸方向的名义声弹性系数K₂。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声层析成像的应力场测量方法，其特征在于：在步骤S2中，根据超声换能器阵列和像素点的几何关系确定投影系数矩阵S的具体做法包括：

S2-1、根据超声换能器阵列和像素点的几何关系确定每条超声传播路径的传播偏角α(i)和每条超声传播路径在每个像素点内的传播距离L(i,j)，其中，i表示超声传播路径的编号，i＝1,2,…,M；j表示像素点的编号，j＝1,2,…,N；M表示超声传播路径数目，N表示像素点数目；

S2-2、由每条超声传播路径的传播偏角α(i)和每条超声传播路径在每个像素点内的传播距离L(i,j)，以及步骤S1中得到的平行于拉伸方向的名义声弹性系数K₁和垂直于拉伸方向的名义声弹性系数K₂，依据以下公式计算得到投影系数矩阵S：

其中