LCR超声波应力仪的研制

分析超声波检测残余应力的基本机理,应用临界角折射法解决了应力检测中声速测量的关键难题。采用单片机结合CPLD驱动换能器,同时在信号处理中以双通道区分信号,提高了测量精度。通过CPLD外接高频振荡器,组成高频计数电路,比较好地解决了ns级计数难点。进一步研制出残余应力的超声波检测系统。

LCR波测量残余应力修正模型的建立

对7N01铝合金母材进行热处理,制备具有不同晶粒度的试样,定性分析其晶粒度。通过单轴拉伸标定实验测试热处理试样的应力常数K,发现材料的晶粒度越大,应力常数K越大。自行搭建超声波测试平台,基于基准波形和采集波形进行互相关计算,得到各个晶粒度试样的相对t_0,发现材料的t_0与晶粒度也成正相关关系。使用电压幅值表征材料的声衰减后,建立超声衰减与应力常数K、t_0之间的关系,拟合得到超声衰减与K、t_0的本构方程。建立关于临界折射纵波衰减度和传播时间的修正模型,使用电压幅值表征K、t_0的变化。

磨削烧伤对超声波声速变化影响的实验研究

磨削烧伤会显著影响零件的使用性能,检测磨削烧伤对确保零件安全使用具有重要意义。超声波声速已被应用于检测金属晶粒尺寸、残余应力和金属热处理状态等方面,其能否用于检测磨削烧伤程度倍受关注。本文搭建了临界折射纵波(critical refraction longitudinal wave,简称LCR波)声速检测系统,对不同磨削烧伤程度的45#钢试件进行超声波声速测量,实验结果表明:超声波声速对磨削烧伤不敏感,对于不同烧伤程度的45#钢试件,超声波声速仅有较小变化。根据材料金相组织、残余应力、晶粒大小等因素对超声波声速影响机理进行分析,由于各影响因素对超声波声速变化具有综合影响,超声波声速不随不同烧伤程度敏感变化,不能灵敏地检测磨削烧伤。

低碳钢双丝焊平板横向残余应力超声波法测量

介绍了超声波法应力测量的理论基础声弹性方程,特殊条件下简化临界折射纵波声弹性方程。建立了超声波法测量焊接残余应力系统,实现了高精度信号提取,使用特制变角度超声波探头,选用对应力变化敏感的临界折射纵波作为测量波形,对低碳钢双丝焊对接平板横向残余应力场实现了无损测量。结果表明,测量结果可靠,测量过程实时无损快速。分析了测量数据波动的原因。建立的超声波法应力无损测量系统为焊接结构服役状态在线可靠性评估奠定了基础。

双丝焊铝合金平板残余应力梯度超声波法建立

在假设无限小波叠加在各向同性变形弹性体基础上,推导了超声波法应力测量的理论基础声弹性方程,特殊条件下简化出临界折射纵波声弹性方程。建立了超声波法焊接残余应力测量系统,选用对应力敏感的临界折射纵波作为测量波形,对20mm厚X坡口双丝焊对接2219铝合金平板纵向残余应力场梯度进行了测量,获取了纵向残余应力场引起的声时差信号分布,用MARC软件计算了铝合金残余应力场纵向应力的分布,与声时差信号的趋势进行了对比,趋势符合。为超声波法重建焊接残余应力场作了准备。

高速列车底架焊接变形的超声波法应力分析

基于单轴应力下声弹性理论,针对现有临界折射纵波应力测量方法测试区域大的缺点,提出声程差方法,克服了应力分辨率和应力场分辨率的矛盾,在当前探头制造以及超声传播时间测量精度水平下,提高了应力场空间分辨率,能够更好地获得非均匀应力场的应力梯度;使用该方法对某型高速列车底架焊接变形进行了生产现场的应力测量;对比底架上变形合格与不合格部位的应力分布,并根据应力状况计算了变形超量,指出了导致变形的原因,为后期调修提供了可靠的依据.结果表明,该方法适用于生产现场的应力评估,对焊接结构质量监控有着重要意义.

临界折射纵波探头声束特性的边界元分析与测量

与其他超声应力测量方法相比,临界折射纵波(LCR波)方法对应力场敏感,受材料组织结构效应影响小,在材料表面或近表面残余应力无损测量中具有突出的优势。本文应用边界元方法对LCR波探头发射的临界折射纵波的传播特性和声束特性进行分析并进行了实验测量。建立了IIW试块圆弧反射部分的三维边界元模型。通过数值分析,清楚显示了LCR波在IIW试块中的传播过程,给出了LCR波探头的主声束指向特性。计算结果为有关LCR波应力测量中声波能量有效渗透深度和能量层厚度的确定提供了理论依据。利用IIW试块实验测量了LCR波探头的声束特性,实验测量与数值分析结果符合得很好。本文的研究结果对研究厚板材料内部切向残余应力的LCR波测量方法具有指导意义。

薄壁LY12铝合金焊接残余应力超声波法无损测量及验证

传统残余应力破坏测量方法无法满足焊接结构服役状态下的应力测量,无法实现结构的无损应力测量.基于声弹性原理,超声波法可以无损测量出结构内部的残余应力.使用临界折射纵波进行薄壁结构件测量时,易激发Lamb波和Stonely波等特殊波形,将影响测量的准确度.开发了适用于薄壁结构件测量的新型超声波法焊接残余应力测量系统,对厚度为2mm的两种LY12薄壁焊接结构进行了测量,测量过程实时无损快速.用切割释放法和有限元模拟进行了验证.结果表明,该测量系统准确可靠,为航天器薄壁焊接结构服役状态在线可靠性评估奠定了基础.

用于不同深度残余应力检测的电磁超声激励装置

基于临界折射纵波(longitudinal critically refracted waves,LCR)声弹性理论,采用不同激励频率的LCR波可对试件不同深度的平均残余应力进行测量。压电超声换能器都有其固定的激励频率,测量不同深度的应力需要更换所对应频率的压电换能器,操作较为繁琐。针对该问题,根据电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激发原理,提出一种可以激发不同频率LCR波的电磁超声激励装置设计方案,并将其应用于试件不同深度应力的检测中,提高应力检测效率。设计电磁超声临界折射纵波激励装置,仿真分析不同频率LCR波的激励效果;制备应力随深度变化的待测试件,并基于电磁超声LCR激励装置对不同深度的应力进行检测,验证了该方法在检测金属结构不同深度的应力分布的有效性。

L_(CR)波应力检测中互相关时延估计的误差分析

根据声弹性理论,将应力检测转化为超声波的传播时延估计,建立基于互相关时延估计的临界折射纵波(LCR波)应力检测系统。LCR波在发射、传播及接收过程中存在各种影响因素,这些因素导致接收到的LCR波波形及信噪比发生了较大变化。通过克拉美罗下界(CRLB)理论得到这些变化是限制时延估计精度的根本因素。利用MATLAB进行仿真验证,得到了不同的影响因素对时延估计精度的影响不同。

缺陷/应力交互对碳钢L_(cr)波声弹性系数的影响

基于L_(cr)波声弹性理论,探讨缺陷及其尺寸对L_(cr)波评价应力的影响机理。结合"当量法"预制不同直径盲孔,采用互相关系数函数计算L_(cr)波时间差,通过线性拟合得到L_(cr)波声弹性系数,基于弹塑性变形和圆孔应力集中理论澄清盲孔直径对L_(cr)波声弹性系数的影响机理。结果表明:各直径盲孔L_(cr)波时间差随应力增大基本呈线性增加,但其非线性特征亦逐渐明显,线性阶段的最大应力值小于试样屈服强度;L_(cr)波声弹性系数随盲孔直径增大逐渐减小,并趋于平稳。分析认为,盲孔应力集中是导致上述结果的主要原因,试样各向异性组织及盲孔深度也是其重要因素。

用临界折射纵波测量切向应力时的影响因素研究

研究了基于声弹性理论,利用临界折射纵波(critically refracted longitudinal wave,LCR波)从构件表面测量内部切向应力时的几个关键问题。应力测量接收到的波形非常复杂,其他的波形影响了对LCR波的识别,相关的影响因素也很多,包括楔块角和试块厚度的影响,进行了这两影响因素在LCR波传播中的对比实验,以构建适合测量切向应力的模型系统,达到对各影响因素优化组合的目的。

基于LFMCW的L_(CR)波切向正应力检测方法的研究

以LFMCW(linear frequency modulated continuous wave)时间间隔测量原理为基础,针对LCR波(the critically refracted longitudinal wave)声弹性应力检测脉冲激发方式时存在的问题,提出了一种基于LFMCW方式激发LCR波的切向正应力检测系统,使用新的检测方法通过发射信号和接收信号形成的拍频信号来反映波的传播时间,用抛物线插值与最小二乘相结合的数字测频方法准确测量拍频频率。实验结果证明了该系统对LCR波传播声时检测的有效性。

利用L_(CR)波监测长轨温度应力方法的研究

针对铁路养护中对长轨(CWR)纵向温度应力监测的难题,基于声弹性原理,介绍了一种利用LCR波来实现其自动化检测的超声波无损检测(NDT)系统,并对该系统的超声波探头和声时测量单元的结构及工作原理进行阐述。系统采用软件方式校正和消除温度对实际测量声速的影响,提高了超声检测应力的测量精度,从而达到了铁路监测要求。

钢对接焊缝残余应力分布的临界折射纵波检测

焊接残余应力分布情况对焊接构件的安全使用存在一定影响。基于临界折射纵波(LCR)的产生机理和应力检测原理,搭建了基于声时的应力检测系统。采用"一发一收"的探头布局模式,探讨了入射角度对LCR波产生的影响,利用工件中存在应力会导致LCR波传播时间变化的现象,探讨了对接焊缝横向残余应力分布的测试方法。结果表明:LCR波法检测焊缝残余应力分布与理论分布情况相符。

铝合金预拉伸板残余应力的超声测量

探讨了与应力方向成不同角度传播的超声临界折射纵波速度与应力的关系,并利用这一关系对铝合金预拉伸板的残余应力进行了测量,最后对此方法的应力测量结果与钻孔法的测量结果进行了对比。结果表明:随应力增加,沿平行于应力方向传播的临界折射纵波速度减小,而沿垂直于应力方向传播的临界折射纵波速度变化不大,因此临界折射纵波仅对沿其传播方向上的应力分量敏感,可利用其测量特定方向上的应力分量。利用钻孔法对超声应力测量结果进行了验证,得出二者的测量结果在应力分布趋势上具有较好的一致性,两种方法获得的绝对残余应力值的差异是由于其测量范围不同所造成的。

GH4169合金环锻件残余应力超声检测

GH4169合金环锻件在新型航空和航天发动机中起着重要作用,残余应力对机械制造过程有着重要的影响。对GH4169制压气机四级盘的整体应力分布进行了超声临界折射纵波(longitudinal critical refracted wave,LCR波)测量,并将该应力分布情况与仿真模拟应力结构图进行对比,结果基本一致,验证了超声LCR波应力检测的准确性。结论表示该类环锻件模锻后存在较大的周向拉应力,该应力的存在会导致该零件的疲劳强度大幅度降低,使用寿命大幅度减少。针对该类问题,通过超声LCR波测量该GH4169制压气机盘喷丸前后应力的变化,试验结果可知,喷丸强化会重塑GH4169环锻件残余应力场,降低其周向拉应力,其行为会有效提高该零件的疲劳强度和使用寿命。超声检测结果误差在10%以内,验证了GH4169环锻件超声LCR波法检测的实用性与可靠性。

管道焊缝残余应力超声环形组合测量方法

重点阐述基于临界折射纵波(LCR波)的超声环形组合探头管道焊缝残余应力的测量方法,该方法用于实际测量,可提高管道焊缝残余应力检测的效率。详细介绍了检测系统硬件和软件,并对残余应力与纵波声速的线性关系进行实验分析,通过切块分离法验证了该方法测量输送管道焊缝残余应力的可行性。

用L_(CR)波检测零件内部切向应力的实验研究

本文介绍了一种基于声弹性理论,利用临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal,LCR)从表面测量零件内部切向应力的方法,依据固体中超声波传播特性与应力状态的关系,搭建了基于传播声时的实验测量系统。在传播声时的测量中采用“过零检测”方式减小由超声波信号幅度变化造成的误差,利用时间-数字芯片实现高精度的时间间隔潮量。

复合材料机翼前梁装配应力超声无损测量

针对装配应力是影响飞机构件连接性能的重要因素,也是复合材料装配质量研究的难点所在的问题,通过考虑被测材料各向异性对超声波传播特性的影响,改进传统超声应力检测方法,得到适用于纤维增强类复合材料平面应力的检测方法。为了验证改进方法的可行性,对复合材料机翼中实际采用的碳纤维增强树脂基复合材料结构件进行了装配应力的检测。经可行性分析,确定复合材料结构件应力检测主要实验方案,为今后飞机复材结构件的内部应力检测试验提供基础。