Page 47 - 无损检测2022年第十二期

王 怡, 等:

考虑温度影响的基于超声回波幅度谱的钢构件应力检测

HUGHES 等 [ 3 ] 提出的受力固体中弹性波波速 -8 μ 2
γ= α· ( 3 )
的表达式为声弹性理论奠定了基础, 也为基于声弹 4 μ +n
性理论开发超声无损检测技术提供了可能 [ 4 ] 。现有 式中: t 0 为横 波在钢 构 件 无 应 力 状 态 下 的 传 播 声
研究中, 测量钢构件单向应力的超声无损检测技术 时; 为 Lamé常数; n 为 Murna g han常数; α 为初
μ
分为横波法 [ 5 ] 、 纵波法 [ 6 ] 、 表面波法 [ 7 ] 、 导波法 [ 8 ] 和 始声各向异性因子。
临界折射纵波法 [ 9 ] 。当超声横波垂直入射到受力固 Lamé常数 μ 和 Murna g han常数n 是对温度不
体中时, 将分解为两个偏振方向相垂直、 传播速度不 敏感的常参数, 初始声各向异性因子α 与初始材料
同的横波分量。其中, 粒子沿施加应力方向运动的 织构有关, 因此, 温度对应力 - 波谱参数的影响主要
横波分量与粒子垂直于施加应力方向运动的横波分 集中在钢构件无应力状态下横波的传播声时t 0 上。
量相比, 前者的速度变化大于后者的速度变化。因 根据热弹性理论, 随着温度的升高, 超声波波速
会逐渐降低, 且两者具有较好的线性关系 [ 12 ] , 即
此, 两个横波分量的速度差可用于测量单向应力。
在此基础上, 谱分析技术的引入为超声横波无 ν T = ν T 0 1- ξ ΔT ) ( 4 )
(
损检测的进一步发展提供了可能。 BLINKAl等 [ 10 ] 式中: ν T 为温度为T 时的超声波波速; ν T0 为温度
发现, 反映了两波分量速度差异的两波分量之间的 为 T 0 时的超声波波速; 为温度 - 波速因子; ΔT 为
ξ
干涉会影响入射横波, 从而产生回波频谱。换句话 T 与T 0 的温差。
说, 回波频谱是入射波频谱在干涉因子作用下的结 设待测构件在超声横波传播方向上的初始尺寸
果。如果应力测量的灵敏度定义为应力变化引起的 为l 0 , 待测构件的线膨胀系数为 , 基准温度为 T 0 ,
β
被测物理参数的变化, 那么相对于传统的声时法, 回 无应力状态基准温度下的波速为 ν T0 , 对应的传播声
波频谱中的特征量对应力更为敏感。谱分析技术与 时为t T0 。当温度发生变化, 温差达到 ΔT 时, 温度
超声波法的结合为提高钢构件应力测量的灵敏度提 变化引起待测构件的热胀冷缩, 使得超声回波声程
供了可能。由此, 笔者提出了一种利用超声回波幅 变为2 l 0 1+ β ΔT )。因此, 温度为 T 时的超声回波
(
度谱中的一个特征量———第一特征频率 [ 11 ] 来检测 传播声时为
(
钢构件应力的方法。 2 l 0 1+ β ΔT )
t T = ( 5 )
(
为了提高该方法的适用性, 笔者对基于超声回 ν T0 1- ξ ΔT )
波幅度谱的钢构件绝对应力检测温度影响 进行研 用麦克劳林公式来表达式( 5 ), 再进行简化得到
)
[
(
究, 依据所提出的利用超声回波幅度谱中第一特征 t T = t T0 1+ β+ ξ Δ T ] ( 6 )
频率检测钢构件应力的方法, 推导考虑温度影响的 基准温度下, 将无应力状态对应的传播声时t T0
钢构件绝对应力检测修正公式, 并通过试验来总结 代入式( 2 ) 中, 可得基准温度下应力 - 波谱参数κ T 0 。
同理, 将发生 ΔT 温度变化后温度 T 下的传播声时
温度对应力检测的影响程度和规律, 同时对修正公
代入式 ( 2 )中, 可 得 温 度 T 下 应 力 - 波 谱 参 数
式进行验证。 t T
存在关系
κ T 。根据式( 6 ), κ T0 和κ T
1 考虑温度影响的钢构件绝对应力检测修
/[
κ T = κ T0 1+ β+ ξ ΔT ] ( 7 )
(
)
正公式
定义λ 为温度修正因子, 其表达式为
*
在没有考虑温度影响的情况下, 可利用超声回 λ = β+ ξ ( 8 )
*
波幅度谱中第一特征频率检测钢构件应力, 其检测 由此, 基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力
公式为 检测, 在温度为 T 时的修正公式为
*
/(
κ κ T0 1+ λ ΔT )
σ= * -γ ( 1 ) σ= * -γ ( 9 )
f 1 f 1
式中: σ 为钢构件绝对应力; * 为第一特征频率;
f 1 2 温度修正因子的标定
κ 、 γ 为应力 - 波谱参数。
应力 - 波谱参数与构件材料、 构件厚度有关, 其 基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测修
表达式为 正公式中, 基准温度下应力 - 波谱参数κ T0 和应力 - 波
2 谱参数γ 可通过在基准温度下进行标定试验得到。
1 -8 μ
κ= · ( 2 )
*
4t 0 4 μ +n 对于温度修正因子λ ,则可以通过其他试验进一
3
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2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测