[发明专利]一种基于超声层析成像的应力场测量方法

说明书

本发明提供了一种基于超声层析成像的应力场测量方法，属于超声波无损检测技术领域。该方法包括步骤：标定试验；确定投影系数矩阵；零应力基准采集，依次激发超声换能器阵列中的每个超声换能器，获得零波形数据集；测量数据采集，按照零应力基准采集的激发顺序依次激发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；延时计算，使用互相关算法求解得到对应的应力时延向量；求解应力场方程，使用层析成像算法求解应力场方程得到应力向量；根据应力向量绘制应力场图像。本发明基于超声层析算法，通过构建探头扫描矩阵，实现了无需移动探头，单次测量即可得到工件浅表面应力场分布，降低了对操作人员的要求，提高了测量效率。

技术领域

本发明涉及一种基于超声层析成像的应力场测量方法，属于超声波无损检测技术领域。

背景技术

材料在机械制造过程中不可避免地会产生塑性应变，导致残余应力，同时在工件服役过程中，工件的内部受到老化或外部载荷的影响，应力将发生变化。测量工件表面应力不仅能为结构服役的安全评价提供数据支撑，而且还能在此基础上改进生产工艺和构件加工方法从而进一步延长工件的使用寿命，降低生产运营成本。

物体内的应力检测技术有很多种，根据是否破坏被检测物体，可细分为三大类：有损检测、微损检测和无损检测。有损检测和微损检测又称为机械检测方法，其中钻孔法应用最为普遍。无损检测则是用非破坏性的物理方法对构件应力进行检测，主要包括X射线法、光弹性法、涡流法和超声波法等方法，其中X射线法、超声波法在轨道交通领域应用最为普遍。

超声波测量残余应力是基于声弹性理论，当构件受到力作用时会导致超声波在材料内部的传播速度、超声频率、振幅、相位和能量等参量的变化，通过对构件内超声波这些参量的测量，根据相关模型可间接求出构件内部的应力值。

在工程结构的可靠性评估领域，准确获得危险位置的应力场分布是计算工程结构使用寿命、安全性的先决条件。同时，现有的超声波残余应力测量技术均采用单点测量，若要实现工件浅表面应力分布测量，常采用机械装置移动测量探头来实现对不同测量点进行测量，该方法存在测量时间长，对操作人员素质要求高等问题，故快速无损地测量工件浅表面的应力场分布具有极大的工程应用价值。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的测量时间长，对操作人员素质要求高等问题，本发明提供了一种基于超声层析成像的应力场测量方法，该方法能简便快捷、低成本、高精度地测量工件浅表面应力场分布，是一种无损测量方法。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种基于超声层析成像的应力场测量方法，包括如下步骤：

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，按照一定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(也就是说，在同一时刻，超声换能器阵列中只有一个超声换能器用于激发超声信号，其余超声换能器均用于接收当下的超声信号)；通过按照一定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；