[发明专利]一种复合材料表面应力超声测量方法

说明书

本发明一种复合材料表面应力超声测量方法属于超声检测技术领域，涉及一种复合材料表面应力超声适应测量方法。该方法首先设计和组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器。其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接。最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量。本发明设计和组装了可变入射角超声测量装置，通过超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性。装置简单紧凑，提高了测量空间分辨率。该方法可满足面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求，实现机器人辅助的表面应力超声自动扫描测量。

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种复合材料表面应力超声测量方法。

背景技术

复合材料具有比重小、比强度和比模量大等优点，广泛应用于航空航天等重要工业领域。然而，复合材料在生产制造及应用过程中，极易受温度、化学收缩和装配等影响，在复合材料表面产生残余应力，严重制约着零件的安全使役寿命，残余应力无损测量对评估复合材料性能具有重要意义。残余应力无损测量方法包括X射线衍射法，拉曼光谱法和超声法等，超声法具有装置简单、成本低、适用范围广等优点，是面向制造现场环境复合材料残余应力检测的有效手段。

基于临界折射纵波的检测方法对应力变化敏感性高，广泛应用于应力超声检测领域。临界折射纵波造波方法满足Snell定律，然而，复合材料声速传播具有严重各向异性，超声不同传播方向具有不同的传播速度，因此，为获得不同方向应力状态需要多组不同入射角度测量装置，花费巨大，且测量期间频繁拆卸，过程繁琐，难以保证测量过程中不同装置的测量重复性。通过装置设计，形成可变入射角度，以适应复合材料超声传播速度的各向异性，实现面向制造现场环境的复合材料表面应力测量。

2016年，刘菲菲等在发明专利CN201410275857.4中公开了“一种复合材料超声-声发射检测信号的获取方法”，该方法采取左声束和右声束零接近距离布局构成超声-声发射复合声束，直接接收来自被测复合材料零件中的声发射信号，然而，该方法主要应用于复合材料缺陷检测；2017年，张宇民等在发明专利CN201710154020.8中公开了“一种测量各向异性材料平面应力的装置”，该方法基于各向异性三向法，设计了正八边形的超声斜入射楔块，采用六个超声换能器组成三个“一发一收”结构形式，但是，该测量装置体积大且昂贵，测量空间分辨率低。

发明内容

本发明主要解决的技术难题是克服现有方法的不足，面向制造现场环境的复合材料表面应力测量需求，发明了一种复合材料表面应力超声测量方法。该方法中，创新设计了可变入射角超声测量装置，实现了超声入射角的可变调整，以适应复合材料超声传播速度的各向异性，只需一个发射探头和一个接收探头便可以测量任意方向超声传播速度。将可变入射角超声测量装置集成至机器人末端连接，可实现表面应力超声自动扫描测量。

本发明采用的技术方案是一种复合材料表面应力超声测量方法，其特征是，首先，设计并组装变角度超声测量装置，并集成超声换能器；其次，将超声测量装置通过弹性联轴器与机器人末端相连接；然后，安装超声脉冲收发系统，采用超声脉冲收发器与超声换能器相连接；最后，标定复合材料声弹性常数，完成表面应力测量。

具体步骤如下：

第一步，设计并组装可变角度超声测量装置

采用的可变角度超声测量装置为“一发一收”结构形式，一发指发射探头1，一收指接收探头5；固定连接超声测量装置的发射端A与接收端B，保证每次测量过程中超声传播路径长度d相同；在滑动组件8上部加工安装发射探头1和接收探头5的螺纹孔2与紧固用圆通孔7，长螺钉6通过圆通孔7与基体部分摇杆螺纹11连接；加工滑动组件下部3与基体上部9，并保证两者曲率相等；参考基体分度线调节滑动组件8满足入射轴线a和接收轴线c与基面法线b成第一临界折射角φ_θ，且三个轴线均在同一平面内，第一临界折射角φ_θ满足如下条件，