[发明专利]一种测量各向异性材料平面应力的装置

权利要求书

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；

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；

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V_L2；

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V_L1sinθ₂＝V_L2sinθ₁，令θ₂＝90°，计算得到所需斜入射楔块的入射角θ₁＝arcsin(V_L1/V_L2)；

其中V_L1为斜入射楔块的声速，V_L2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；

所述装置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式，

B＝K₁σ₁+K₂σ₂

K₁＝m₁(cos2θ+cos2ω)+m₂+m₃cos2θcos2ω+m₄sin2θsin2ω

K₂＝-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。

2.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述超声斜入射楔块(2)的材质为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述超声斜入射楔块(2)的中心镶嵌钕铁硼磁铁(7)。

4.根据权利要求1所述的一种测量各向异性材料平面应力的装置，其特征在于所述六个探头与超声斜入射楔块(2)的固定连接方式为螺纹连接。