一种测量各向异性材料平面应力的装置制造方法及图纸

一种测量各向异性材料平面应力的装置，涉及一种材料平面应力检测装置。是要解决现有应力检测方法测量精度不高的问题。该装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块、信号发生器、数字示波器和分析处理软件；第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头和第三超声纵波激发探头分别与信号发生器连接；第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头分别与数字示波器连接；信号发生器与数字示波器连接；所述分析处理软件与所述数字示波器连接。该装置基于各向异性三向法，采用临界折射纵波作为检测波源，测量效率高、操作简单，可广泛应用于航空航天、武器制造、车辆等领域中各向异性材料中平面应力的检测和分析。

Device for measuring plane stress of anisotropic material

The utility model relates to a device for measuring plane stress of anisotropic material, relating to a material plane stress detecting device. It is necessary to solve the problem that the measuring accuracy of the existing stress detection methods is not high. The device includes ultrasonic transducer, ultrasonic group oblique wedge, signal generator, digital oscilloscope and analysis software; the first ultrasonic probe, ultrasonic wave excited excited second probe and third probe are respectively connected with the ultrasonic wave excitation signal generator; a first ultrasonic wave receiving probe, second ultrasonic receiving probe and third ultrasonic receiving probe are respectively connected with the digital oscilloscope; connecting signal generator and digital oscilloscope; the analysis software and the digital oscilloscope connection. The device is based on anisotropic three method, Using LCR wave as the detection source, high measuring efficiency, simple operation, can be widely used in the detection and analysis of planar anisotropic materials in aerospace, weapons, vehicles and other fields of stress.

【技术实现步骤摘要】
一种测量各向异性材料平面应力的装置
本专利技术涉及一种材料平面应力检测装置。
技术介绍
近年来，随着材料科学的发展进步，大量的先进材料在各个领域得到了广泛应用。然后先进材料往往不同于传统的金属材料，大多是由不同组分结合而成的，这就使得材料呈现出各向异性的性质。传统用于应力检测的超声方法主要采用一发一收或者自发自收的方式，检测的是超声波传播声程间的平均应力，没有考虑垂直传播方向所受应力对检测信号的影响，也没有考虑材料各向异性对超声波传播的影响，因此测量精度不高，说服力不强。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有应力检测方法测量精度不高的问题，基于各向异性三向法原理，采用临界折射纵波作为检测波源，辅以信号发生器、数字示波器等模块，提供了一种测量各向异性材料平面应力的装置。本专利技术测量各向异性材料平面应力的装置主要包括超声换能器组、超声斜入射楔块、信号发生器、数字示波器和分析处理软件。所述超声斜入射楔块根据斯涅耳定律设计而成，外形为正八边形，可用检测方向为0°、45°、90°和135°，材质为聚四氟乙烯，斜入射角为34°，可在被测材料内部激发临界折射纵波。所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头、第三超声纵波激发探头、第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头，六个探头均与超声斜入射楔块固定连接，所述第一超声纵波激发探头和第一超声纵波接收探头处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头和第二超声纵波接收探头处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头和第三超声纵波接收探头处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路。所述第一超声纵波激发探头、第二超声纵波激发探头和第三超声纵波激发探头分别与信号发生器通过信号线连接；用于激发任意波形的激励信号，具有多个激励信号输出通道，输出激励信号的同时输出同步信号；所述第一超声纵波接收探头、第二超声纵波接收探头和第三超声纵波接收探头分别与数字示波器通过信号线连接；用于采集临界折射纵波波形，具有高采样频率及多个数字通道，通过接受同步信号实现与信号发生器的时间同步；所述信号发生器与数字示波器连接；所述分析处理软件与所述数字示波器连接。所述分析处理软件基于所述数字示波器研发，通过读取同步信号与临界折射纵波波形，可分析得到纵波的传播声时与声时差。进一步的，所述超声斜入射楔块的材质为聚四氟乙烯。进一步的，所述超声斜入射楔块的中心镶嵌钕铁硼磁铁，用于将楔块固定在待测材料表面。进一步的，所述六个探头与超声斜入射楔块的固定连接方式为螺纹连接。进一步的，为得到沿被测材料次表面传播的临界折射纵波，需先根据斯涅耳定律设计斜入射楔块，设计内容包括楔块材料、入射角度和传播声程。所述超声斜入射楔块斜入射角的确定方法具体为：一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料，沿待测材料测量与纤维方向呈0-90°的方向纵波的传播速度，即为待测材料的声速VL2；二、根据斯涅耳定律及步骤一测得的纵波的传播速度，按照公式VL1sinθ2＝VL2sinθ1，令θ2＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角θ1＝arcsin(VL1/VL2)，使其能够激发临界折射纵波；其中VL1为斜入射楔块的声速，VL2为待测材料的声速，θ1为斜入射楔块的入射角、θ2为待测材料的临界折射角。本专利技术的工作原理是：超声波在固体中的传播速度与其所受应力具有线性关系。然而对于各向异性材料，超声波的传播规律不仅与受力状态有关，还与材料本身的各向异性取向方向有关。传统超声检测方法没有考虑材料本身各向异性的影响，这样势必会造成不可忽视的测量误差。本专利技术装置工作原理在传统原理基础上，引入影响超声波传播的各向异性声应力系数，得到检测信号声时差与材料所受应力间的关系，如下式，B＝K1σ1+K2σ2K1＝m1(cos2θ+cos2ω)+m2+m3cos2θcos2ω+m4sin2θsin2ωK2＝-m1(cos2θ-cos2ω)+m2-m3cos2θcos2ω-m4sin2θsin2ω其中B为临界折射纵波在材料中传播的声时差，ω为检测方向与材料主方向的夹角，m1、m2、m3、m4为各向异性声应力系数，σ1为被测材料所受的第一主应力、σ2为被测材料所受的第二主应力、θ为第一主应力σ1与材料主方向的夹角。式中各向异性声应力系数与材料特性有关，需要选取待测材料无应力试块进行单向拉伸实验来标定。根据本专利技术装置标定完善的声时差-应力关系式，以及本专利技术装置测量得到的所需方向的声时差信号，即可计算得到被测材料所受应力状态。本专利技术的有益效果：本专利技术装置考虑到了材料的不均匀性、织构取向性等各向异性，本装置可适用于各向异性复合材料平面应力的检测，具有测量效率高、精度高、操作简便、安全可靠的优点。附图说明图1为本专利技术测量各向异性材料平面应力的装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例一设计的测量复合材料层合板不同方向声速的试样；图3为本专利技术实施例一实际检测示意图；图4为本专利技术方法实施例中所用十字双向拉伸试样尺寸示意图；图5为试验三中待测材料单向拉伸标定实验示意图；图6为试验三中待测材料平面应力检测示意图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式测量各向异性材料平面应力的装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块2、信号发生器3、数字示波器4和分析处理软件5；所述超声斜入射楔块2的形状为正八边形，斜入射角为34°，所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12、第三超声纵波激发探头13、第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16，六个探头均与超声斜入射楔块2固定连接，所述第一超声纵波激发探头11和第一超声纵波接收探头14处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头12和第二超声纵波接收探头15处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头13和第三超声纵波接收探头16处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；所述第一超声纵波激发探头11、第二超声纵波激发探头12和第三超声纵波激发探头13分别与信号发生器3通过信号线连接；所述第一超声纵波接收探头14、第二超声纵波接收探头15和第三超声纵波接收探头16分别与数字示波器4通过信号线连接；所述信号发生器3与数字示波器4连接，实现信号同步；所述分析处理软件5与所述数字示波器4连接。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述超声斜入射楔块2的材质为聚四氟乙烯。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述超声斜入射楔块2的中心镶嵌钕铁硼磁铁7。其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述超声斜入射楔块斜入射角的确定方法具体为：一、准备无应力状态的复合材料层合板试样作为待测材料，沿待测材料测量与纤维方向呈0-90°的方向纵波的传播速度，即为待测材料的声速VL2；二、根据斯涅耳定律及步骤一测得的纵波的传播速度，按照公式VL1sinθ2＝VL2sinθ1，令θ2＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于该装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块(2)、信号发生器(3)、数字示波器(4)和分析处理软件(5)；所述超声斜入射楔块(2)的形状为正八边形，斜入射角为34°；所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)、第三超声纵波激发探头(13)、第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)，六个探头均与超声斜入射楔块(2)固定连接，所述第一超声纵波激发探头(11)和第一超声纵波接收探头(14)处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头(12)和第二超声纵波接收探头(15)处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头(13)和第三超声纵波接收探头(16)处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；所述第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)和第三超声纵波激发探头(13)分别与信号发生器(3)通过信号线连接；所述第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)分别与数字示波器(4)通过信号线连接；所述信号发生器(3)与数字示波器(4)连接，实现信号同步；所述分析处理软件(5)与所述数字示波器(4)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于该装置包括超声换能器组、超声斜入射楔块(2)、信号发生器(3)、数字示波器(4)和分析处理软件(5)；所述超声斜入射楔块(2)的形状为正八边形，斜入射角为34°；所述超声换能器组包括第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)、第三超声纵波激发探头(13)、第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)，六个探头均与超声斜入射楔块(2)固定连接，所述第一超声纵波激发探头(11)和第一超声纵波接收探头(14)处于竖直方向对应放置，所述第二超声纵波激发探头(12)和第二超声纵波接收探头(15)处于与竖直方向呈45°角对应放置，所述第三超声纵波激发探头(13)和第三超声纵波接收探头(16)处于水平方向对应放置，分别组成三组一发一收超声信号回路；所述第一超声纵波激发探头(11)、第二超声纵波激发探头(12)和第三超声纵波激发探头(13)分别与信号发生器(3)通过信号线连接；所述第一超声纵波接收探头(14)、第二超声纵波接收探头(15)和第三超声纵波接收探头(16)分别与数字示波器(4)通过信号线连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇民，王伟，周玉锋，姚泰，董善亮，陈栋康康，周小琳，王道畅，吕汉雄，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23