基于臨界折射縱波聲彈效應(yīng)的平面應(yīng)力測(cè)量理論和方法.pdf

1、針對(duì)目前常用的殘余應(yīng)力測(cè)量方法存在的具有破壞性、操作不便、測(cè)量位置適應(yīng)力差、測(cè)量效率低等不足，為滿足大型工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程及后續(xù)服役狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控和可靠性評(píng)估的需要，本文開(kāi)發(fā)了基于臨界折射縱波的平面應(yīng)力測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)近表面主應(yīng)力的無(wú)損、快速、精確測(cè)量。
　　臨界折射縱波因其沿材料表面以縱波形式傳播的特性，適用于材料近表面應(yīng)力的測(cè)量。根據(jù)臨界折射縱波實(shí)際傳播中的受力狀態(tài)，結(jié)合應(yīng)力—應(yīng)變的非線性關(guān)系，推導(dǎo)了復(fù)雜應(yīng)力狀

2、態(tài)下的臨界折射縱波聲彈性方程。根據(jù)表面上沿厚度方向應(yīng)力為零的條件，將其簡(jiǎn)化到平面應(yīng)力狀態(tài)。設(shè)計(jì)了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，針對(duì)7N01鋁合金材料，對(duì)臨界折射縱波聲彈性方程中平行于應(yīng)力方向和垂直于應(yīng)力方向傳播的波聲彈性常數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定；設(shè)計(jì)了應(yīng)力分布已知的平面靜應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)行平面應(yīng)力狀態(tài)下的聲彈性實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)獲得的聲速與計(jì)算獲得的聲速吻合良好。
　　根據(jù)推導(dǎo)獲得的平面應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波聲彈性方程，分析了基于單軸聲彈性效應(yīng)的臨界折射縱波表面應(yīng)力測(cè)量

3、方法的不合理性，指出在應(yīng)力測(cè)量中，垂直聲速方向應(yīng)力引起的聲彈性效應(yīng)不可忽略；根據(jù)實(shí)際聲速測(cè)量與臨界折射縱波探頭結(jié)構(gòu)，將平面應(yīng)力下臨界折射縱波聲彈性方程中聲速與應(yīng)力的關(guān)系轉(zhuǎn)化為聲傳播時(shí)間與應(yīng)力的關(guān)系，并進(jìn)行簡(jiǎn)化；根據(jù)實(shí)際工程需要，提出了可以直接測(cè)得所需方向應(yīng)力的正交法以及可以測(cè)出主應(yīng)力大小和方向的三向法兩種臨界折射縱波平面應(yīng)力測(cè)量方法；使用信號(hào)發(fā)生器、示波器、臨界折射縱波探頭組、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)搭建了應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用臨界折射縱波

4、對(duì)平面應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)時(shí)快速測(cè)量，應(yīng)用多種提高測(cè)量精度的方法，使得系統(tǒng)的聲時(shí)測(cè)量精度達(dá)到了±0.5ns；使用應(yīng)力分布已知的平面應(yīng)力場(chǎng)驗(yàn)證了兩種方法應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)確性，其中正交法應(yīng)力測(cè)量平均誤差為5.49MPa，三向法應(yīng)力測(cè)量平均誤差為8.80MPa；使用這兩種方法對(duì)7N01鋁合金平板對(duì)接接頭的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的應(yīng)力結(jié)果均在盲孔法的誤差范圍之內(nèi)，顯示了該測(cè)量系統(tǒng)較高的應(yīng)力測(cè)量精度。
　　針對(duì)現(xiàn)有臨界折射縱波應(yīng)力測(cè)量方法空間分辨率低的

5、問(wèn)題，分析了應(yīng)力分辨率與應(yīng)力空間分辨率的關(guān)系，提出了聲程差法，并給出了聲程差與應(yīng)力測(cè)量精度、聲時(shí)測(cè)量精度之間的關(guān)系；根據(jù)自建的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)聲時(shí)測(cè)量精度以及對(duì)應(yīng)力測(cè)量精度的預(yù)期要求，計(jì)算得出最小聲程；將聲程差法結(jié)合到正交法與三向法，并使用平面應(yīng)力場(chǎng)驗(yàn)證了三向法應(yīng)力測(cè)量的可靠性。
　　使用搭建的臨界折射縱波平面應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高速列車、地鐵、油氣管道、鈦合金焊件應(yīng)力消除效果等實(shí)際工程產(chǎn)品的應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)該方法的發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行