[发明专利]一种多层复合材料结构力学参数声学检测方法

说明书

技术领域

本发明属于机械结构无损检测技术领域，涉及一种多层复合材料结构力学参数声学检测方法。

背景技术

目前，随着国家制造业的飞速发展，社会对机械装备的需求日益扩大。高性能的复合材料广泛应用于各个制造领域，行业对材料性能要求越来越高，由于材料自身的特性可能随应用环境和工况的变化发生改变，这将导致材料以及整个机械装备的稳定性和可靠性降低，由此引发安全事故时有发生。因此事先对系统进行数字模拟仿真实现对机械结构状态稳定性的评估和使用寿命的预测变得尤为重要，将极大地提高机械装备整体运行安全性和可靠性，避免恶性事故。在数字建模仿真过程中弹性模量、剪切模量是最基本的力学特性参数，由于工作条件和应用环境的不确定性，将导致力学参数的值发生变化，为了使仿真预测的结果更加准确，一种高效、无损、准确的力学参数检测方法变得十分必要。

脉冲激振法(Impulse Excitation Technique)是一种号称无损检测方法，通过试样固有频率、尺寸和质量来获取材料杨氏模量、剪切模量、泊松比的一种方法。脉冲激振法是指通过合适的外力给定试样某一特定位置一个连续的脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，通过测量传感器接收该振动信号，然后通过数据的分析处理获得试样的固有频率，该固有频率依据试样的振动方式不同而获得不同类型的频率，如弯曲频率、扭曲频率等，然后由标准试样的经验公式计算得出其杨氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等，是目前世界上公认的先进的非接触测定各种材料弹性模量的一种理想检测方法。

近几年来，基于结构振动信息的材料力学参数识别技术已经引起了工程结构无损检测领域研究者的广泛关注。脉冲激振检测方法是新近发展起来的一种具有广阔应用前景的方法，该方法通过无损的方法准确地识别出多层复合材料板的力学参数，并在实验室研究中取得了较好的效果。然而，之前的研究仅仅局限于传统的工程材料，针对多层复合材料板类结构在实际运行条件下的力学参数的快速识别，目前由于缺乏适用的方法而未见报道。

发明内容

为了克服以上的技术不足，本发明提供一种多层复合材料结构力学参数声学检测方法。

本发明提供一种多层复合材料结构力学参数声学检测方法，其步骤如下：

1)通过有限元分析法对模拟多层复合材料结构进行模态频率计算，获得第一阶弯曲共振频率f_f和第一阶剪切共振频率f_t，并对获得的数据进行处理拟合，分别得到弹性模量E和剪切模量G与多层复合材料结构的几何尺寸和质量之间的关系，并得到获取力学参数的经验公式；

2)距离两端面均为0.198L处用用弹性金属线悬吊起多层复合材料结构，使其处于自由振动的状态，并通过力锤在多层复合材料结构的左端激励，而在右端用声压传感器拾取多层复合材料结构的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶弯曲共振频率f_f；

3)在长度和宽度方向的中线处用弹性金属绳悬吊起多层复合材料结构，使其处于自由振动的状态，并通过力锤在多层复合材料结构的左端激励，而在右端用声压传感器拾取多层复合材料结构的振动信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶剪切共振频率f_t；

4)将第一阶弯曲共振频率f_f和第一阶剪切共振频率f_t与多层复合材料结构的几何尺寸、质量参数，代入1)中的经验公式中，分别获得弹性模量E和剪切模量G。

1)中获取弹性模量E的关系式如下：

其中，m是多层复合材料结构的质量，f_f是第一阶弯曲共振频率，T₁是弯曲振动下的校正系数，μ是材料的泊松比，

。

1)中获取剪切模量G的关系式如下：

其中A和B是在剪切状态时关于多层复合材料结构宽度b和厚度t的校正系数，

在泊松比未知时，获得多层复合材料结构的各个力学参数的值的方法如下：

(1)当多层复合材料板的尺寸、质量以及第一阶弯曲共振频率f_f和第一阶剪切共振频率f_t被测得时，利用

获得得到多层复合材料板的剪切模量G。

(2)通过获得得到多层复合材料板的弹性模量E，利用弹性模量E、剪切模量G和泊松比μ的关系