一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置，包括金属板，设有厚度方向贯穿金属板的若干螺纹通孔，孔内拧入螺丝。本发明专利技术还公开了定量描述固体中裂缝情况的实验方法，根据金属板的振动模态、波峰波节位置以及声波的使用类型经过仿真确定需要拧入螺丝的螺纹通孔的位置、数量以及螺丝的扭矩，设置泵波装置和探测尾波装置，分别由发生器通过功率放大器后与换能器电连接固定于金属板的侧边；接收换能器固定连接于金属板的侧边；前置放大器与接收换能器以及探测尾波发生器电连接，数据采集器用于采集所述探测尾波发生器发出的信号以及采集接收换能器接收的信号。本发明专利技术可定量制造模拟固体材料中裂缝，方便非线性声学无损检测研究。检测研究。检测研究。

【技术实现步骤摘要】
一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种裂缝实验装置和方法，特别是涉及一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置和方法。

技术介绍

[0002]复杂材料中的微裂缝情况，例如混凝土、岩石等复杂土木材料往往不会是完整的，其内部含有各种类别与大小不同的孔隙、颗粒、随机裂缝等，一定程度与数量的裂缝会对整个土木材料与结构造成重大影响，因此在材料损伤早期对其裂缝情况进行研究是非常有必要的，理论研究中可以通过数学建模等多种手段定量定性的制造裂缝情况以便进行不同参数研究，但在实验研究中，在固体材料中定量制造微裂缝是非常困难的，尤其是亚临界裂缝或封闭式裂缝。现有方法中主要有通过热辐射、激光辐射、实体敲击、大功率振动等方法来制造固体材料中的裂缝，但是对裂缝的大小与数量进行精准控制都是难以实现的，因此通常只能按照区域损伤程度进行研究。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置，目的是定量制造模拟固体材料中裂缝以便进行材料早期损伤的非线性声学无损检测研究。
[0004]本专利技术技术方案如下：一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置，包括金属板，所述金属板设有厚度方向贯穿金属板的若干螺纹通孔，所述螺纹通孔内拧入与所述螺纹通孔匹配的螺丝。该装置通过螺纹通孔与螺丝的螺纹接触模拟固体中裂缝。
[0005]进一步地，所述金属板的厚度与长度比小于1：10，所述金属板的厚度与宽度比小于1：10。
[0006]进一步地，所述金属板上的所述螺纹通孔为随机分布。
[0007]进一步地，包括泵波装置、探测尾波装置、接收换能器、前置放大器以及数据采集器，所述泵波装置包括泵波发生器、泵波功率放大器和泵波换能器，所述泵波发生器通过所述泵波功率放大器与所述泵波换能器电连接，所述泵波换能器固定连接于所述金属板的侧边；所述探测尾波装置包括探测尾波发生器、探测尾波功率放大器和探测尾波换能器，所述探测尾波发生器通过所述探测尾波功率放大器与所述探测尾波换能器电连接，所述探测尾波换能器固定连接于所述金属板的侧边；所述接收换能器固定连接于所述金属板的侧边；所述接收换能器以及所述探测尾波发生器电连接至所述前置放大器；所述数据采集器于所述前置放大器电连接用于采集所述探测尾波发生器发出的信号以及用于采集所述接收换能器接收的信号。
[0008]进一步地，所述泵波发生器的泵波频率为15～50kHz，所述探测尾波发生器的探测尾波频率为200～800kHz。
[0009]一种定量描述固体中裂缝情况的实验方法，基于上述定量描述固体中裂缝情况的
实验装置进行，包括以下步骤：步骤1、将所述金属板竖直放置，并根据所述金属板的振动模态、波峰波节位置以及声波的使用类型经过仿真确定需要拧入螺丝的螺纹通孔的位置、数量以及螺丝的扭矩；步骤2、启动泵波发生器和探测尾波发生器并由所述采集所述探测尾波发生器发出的信号以及用于采集所述接收换能器接收的信号并计算相对速率变化θ和剩余非相关系数Kd随泵波激励幅值变化。
[0010]本专利技术所提供的技术方案的优点在于：本专利技术装置及方法可以定量定性的在实验研究中模拟微裂缝的情况，通过不同数量、位置的螺丝拧入打孔金属板中的方式模拟裂缝的非线性接触界面效应，精确的在实验研究中控制裂缝的数量与性质，为非线性声学无损检测研究提供了一种重要的实验研究方法，可以验证非线性声学无损检测方法应用于非均质材料无损检测的鲁棒性，有效推进各类材料的早期损伤声学无损检测方法的研究进展。
附图说明
[0011]图1为实施例的定量描述固体中裂缝情况的实验装置结构示意图。
[0012]图2为实施例的定量描述固体中裂缝情况的实验装置的剖面结构示意图。
[0013]图3为实施例的非线性尾波干涉技术实验系统结构示意图。
[0014]图4为相对速率变化θ、剩余非相关系数Kd与泵波幅值关系示意图。
具体实施方式
[0015]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
[0016]请结合图1和图2所示，本实施例的定量描述固体中裂缝情况的实验装置为一金属板100，在金属板100上开设有多个相同参数的螺纹通孔101，这些螺纹通孔101的轴线方向为金属板100的厚度方向。金属板100的厚度与长度比宜小于1：10，金属板100的厚度与宽度比宜小于1：10。螺纹通孔101为随机分布，进行实验时，根据需要选定一定位置和数量的螺纹通孔101，拧入与螺纹通孔相匹配的螺丝102，这些螺丝102的参数也都相同。在螺丝102的尾部可以拧上相应的螺母103以加固，如图2所示。
[0017]下面以非线性尾波干涉技术实验为例来说明定量描述固体中裂缝情况的实验方法。本例为利用非线性尾波干涉技术（NCWI）进行固体中微裂缝的无损检测实验，NCWI的原理是对待测固体材料样本施加低频大幅泵波激励（15kHz
‑
50kHz）使得材料产生多维振动，同时利用高频探测尾波（200kHz
‑
800kHz）对待测样本进行检测分析。NCWI的特征参量包括相对速率变化θ和剩余非相关系数Kd。理论上在固体材料无损状态下，θ与Kd的值将不受大幅泵波激励影响，但是，在材料中含有微裂缝的情况下，θ和Kd的值将随泵波幅值变化而产生规律性变化，其变化幅度与材料损伤程度相关。
[0018]具体实施包括以下步骤：（1）材料制作：根据本实验需求定制两块尺寸为 30 cm
×ꢀ
30 cm
ꢀ×ꢀ
2 cm的相同镂空打孔金属铝板1及配置相同材料参数的螺丝。圆形螺纹通孔（直径 10 mm）随机分布在
金属铝板1上，圆形螺纹通孔的二维表面积与金属铝板1总的二维表面积之比约为17.6%，所有螺纹通孔的螺纹线一致。两块金属铝板1上的螺纹通孔分别位置相同，其中一块金属铝板1为实验参照样品。
[0019]（2）实例中非线性尾波干涉技术实验系统如图3所示，两块金属铝板1均垂直放置，由两小块聚乙烯材料2在金属铝板1底边进行简单支撑。实验装置还设置泵波装置、探测尾波装置、接收换能器3、前置放大器4以及数据采集器5。泵波装置包括泵波发生器6、泵波功率放大器7和泵波换能器8，泵波发生器6的频率为15kHz～50kHz。泵波发生器6通过泵波功率放大器7与泵波换能器8电连接，泵波换能器8胶粘固定在金属铝板1的一个侧边。探测尾波装置包括探测尾波发生器9、探测尾波功率放大器10和探测尾波换能器11，探测尾波发生器9的频率为200kHz～800kHz。探测尾波发生器9通过探测尾波功率放大器10与探测尾波换能器11电连接，探测尾波换能器11胶粘固定在金属铝板1的一个侧边。在本实施例中，泵波换能器8与探测尾波换能器11位于金属铝板1的同一侧边，接收换能器3胶粘固定在金属铝板1的另一个侧边，而经前期本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定量描述固体中裂缝情况的实验装置，其特征在于，包括金属板，所述金属板设有厚度方向贯穿金属板的若干螺纹通孔，所述螺纹通孔内拧入与所述螺纹通孔匹配的螺丝。2.根据权利要求1所述的定量描述固体中裂缝情况的实验装置，其特征在于，所述金属板的厚度与长度比小于1：10，所述金属板的厚度与宽度比小于1：10。3.根据权利要求1所述的定量描述固体中裂缝情况的实验装置，其特征在于，所述金属板上的所述螺纹通孔为随机分布。4.根据权利要求1所述的定量描述固体中裂缝情况的实验装置，其特征在于，包括泵波装置、探测尾波装置、接收换能器、前置放大器以及数据采集器，所述泵波装置包括泵波发生器、泵波功率放大器和泵波换能器，所述泵波发生器通过所述泵波功率放大器与所述泵波换能器电连接，所述泵波换能器固定连接于所述金属板的侧边；所述探测尾波装置包括探测尾波发生器、探测尾波功率放大器和探测尾波换能器，所述探测尾波发生器通过所述探测尾波功率放大器与所述探测尾波换能器电连接，所述探测尾波换能器固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广智，马彤，华斯亮，张静亚，韩志达，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：