考虑非线性及温度影响的超声表面波应力检测基础研究结题摘要

机械结构的可靠性和使用寿命与其关键构件的工程应力水平密切相关，因此结构应力检测对机械装备的安全性评估、维修加固以及后续新产品的优化设计均具有重要意义。本项目从超声表面波的声弹性物理效应出发，将超声波无损检测技术引入到结构表面应力检测中。项目遵循“表面波声弹性效应的精确表征、提取→声弹性效应的非线性特征→特殊环境下的应力检测”的研究主线。 研究了结构在应力作用下的超声表面波传播特性的变化规律的获取方法。搭建并优化了由超声信号发生仪、表面波组合探头和数字信号采集系统组成的声弹性实验研究平台。将表面波传播速度的变化特征演化为一定声程内传播时间的变化特征，提出了采用数字相关方法进行传播时间差的计算，有效地提高了声弹性效应实验的计算效率和精度。 测试了不同表面波探头频率对声弹性效应敏感度的影响，实验表明频率为2.5MHz的表面波对钢材表面的声弹性效应最为敏感，可作为常用工程材料的表面波声弹性实验的探头频率的选择依据。另外，实验研究表明介质表面粗糙度和探头压紧力等因素对耦合性能均有影响，因此在进行声弹性实验时必须保证同等的表面耦合条件，以降低耦合误差对实验准确性的影响。 针对实验过程中发现的表面波声弹性效应的非线性现象，从塑性力学角度解释了非线性特征的形成机理。由于弹性介质表面的微缺陷处易产生应力集中，从而导致弹性体表面局部应力水平偏大，提前进入塑性区，导致传播时间差与应力的关系呈非线性。该研究可为后续的结构表面应力腐蚀以及摩擦、磨损监测提供新的思路。 研究了变温环境下的超声波的传播特性变化规律。初步的实验研究表明温度在-20～70度变化时，材料的弹性模量呈增大趋势，泊松比呈下降趋势，为声弹性曲线的修正提供了理论依据。项目研究成果初步应用于工程实际，对焊接残余应力进行了无损检测，其应力检测的相对误差可控制在20％，并提出了二维应力测量中的主应力分离技术的解决方案，为装备的结构安全性评估提供了新途径。 2100433B

以工程结构中常见材料（钢材）为主要研究对象，开展基于超声表面波声弹性效应的关键机械结构应力无损检测基础研究。研究内容包括：(1)结构在有、无应力作用时的超声表面波传播特性变化的精确表征方法，将表面波传播速度变化演化为一定声程内传播时间的变化特征，探讨采用数字相关法计算传播时间差；(2)研究影响表面波声弹性实验精度的因素，并针对主要影响因素提出有效降低测量误差的方法或措施；(3)从理论和实验角度研究钢材中表面波声弹性效应的非线性特征，分析非线性特征的形成机理，深入研究表面局部塑性现象对表面波声弹性效应的影响，探讨基于非线性声弹性效应的表面波应力检测方法；(4)实验研究极端温度条件下的表面波声弹性效应的特点，解决特殊环境中的表面波声弹性应力检测的基础问题。其研究成果可为关键机械结构的超声表面波法应力无损检测奠定基础，为大型、关键机械设备（如矿山装备）的结构安全性评估提供新途径和科学依据。

《混凝土温度:应力检测原理与装备》是国内第一本关于约束条件下混凝土温度-应力检测原理与装备的专著。 全书共分7章，详细介绍约束条件下混凝土温度-应力检测的理论、关键技术和装备研制及其工程应用。系统分析了混凝土抗裂性能评价及混凝土温度-应力检测原理，提出并解决了约束条件下混凝土温度-应力检测的主要关键技术：无接触激光位移测量技术，提高了测量精度；自然环境模拟技术，设计一种新型的分流式内加湿型环境箱，可实现高精度的温度、湿度和风速调节；拉/压力传感器的量程切换技术，解决测量精度与量程扩展的矛盾，保证了混凝土不同凝结阶段应力的精确测量。应用这些关键技术，研制了新型约束可调式 单轴温度-应力开裂试验机，可满足混凝土基准试验、大体积混凝土温度控制、等温控制试验、约束度变化试验、环境条件模拟试验、裂缝观测等六大功能要求，整体水平达到国外同类装置的水平，且性价比高。以实际工程混凝土温度-应力的影响分析为例，介绍了新型约束可调式单轴温度-应力开裂试验机的应用。

《混凝土温度:应力检测原理与装备》可供材料科学与工程、控制科学与工程和检测技术领域的高等院校、科研院所以及工程建设单位的教学、科研、工程技术人员和研究生参考。

材料的声速会随着材料温度的变化而发生变化。如果仪器的校准是在温度相对较低的环境中进行的，而仪器的使用却在温度相对较高的环境中，这种情况下就会使检测结果偏离真实值。要避免温度的这种影响，方法是校准仪器前将参考试块预热，以达到跟使用环境相同的温度；或者将测量结果乘以一个温度影响因子。

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