一种碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法

本申请涉及超声无损检测及结构健康监测，具体涉及一种基于超声临界折射纵波的方法的碳纤维复合材料层合板上结构应力并定量表征材料各向异性的检测方法，尤其涉及一种碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法。

背景技术：

1、碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,cfrp)在国防、民生等领域大量应用，已成为国家高质量发展进程不可或缺的组分。高效准确地检测和评估应力量值对于复合材料结构的在役状态评估和结构健康监测具有重要的工程价值和意义。超声无损检测具有快速、准确等优点，被广泛用于金属材料应力、裂纹和疲劳等的检测。

2、然而现有的超声无损检测技术中针对平面应力场的测量表征技术仍然存在同一检测模块只适用于单一材料单一方向的问题，这种不普遍性严重降低了超声应力检测技术的实用性；并且针对各向异性材料多角度超声应力检测技术，目前超声检测方向与应力场耦合仍有检测方向角度不清晰不精确问题，并且临界折射纵波检测各向异性材料应力的方法较为繁琐。

技术实现思路

1、本申请基于超声临界折射纵波法，根据等效刚度原理描述了应力对声速的诱导关系，完善了各向异性材料应力的检测原理和测量模型，定量表征碳纤维复合材料的各向异性，针对t700碳纤维复合材料进行应力检测，验证了碳纤复合材料超声应力检测方法的准确性。

2、本申请实施例提供一种碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，所述方法包括：

3、确定待检测碳纤维复合材料的应力系数；

4、确定所述待检测碳纤维复合材料的声时差；

5、根据所述应力系数和所述声时差，通过复合材料应力测量模型确定所述待检测碳纤维复合材料的结构应力，并对所述待检测碳纤维复合材料的各向异性进行定量表征。

6、在一些实施例中，所述确定待检测碳纤维复合材料的应力系数，包括：

7、令所述待检测碳纤维复合材料只受到单轴应力；

8、依次选取检测方向与纤维夹角ω分别为0°、45°和90°；

9、通过检测超声信号的激发和接收信号计算声时差，经过线性拟合分别计算得到应力系数a，b，c，d。

10、在一些实施例中，所述方法还包括：

11、确定所述待检测碳纤维复合材料的临界折射纵波激发角度；

12、根据所述临界折射纵波激发角度确定固定角度楔块；

13、所述固定角度楔块用于配合超声检测系统将检测超声信号按照所述临界折射纵波激发角度射入所述待检测碳纤维复合材料表面。

14、在一些实施例中，所述确定所述待检测碳纤维复合材料的声时差，包括：

15、依次选取检测方向与纤维夹角ω分别为0-90°任意三种不同角度，分别对所述待检测碳纤维复合材料进行超声临界折射纵波检测，确定三种不同角度对应的声时差δt1，δt2和δt3。

16、在一些实施例中，所述根据所述应力系数和所述声时差，通过复合材料应力测量模型确定所述待检测碳纤维复合材料的结构应力，包括：

17、将应力系数a，b，c，d和声时差δt1，δt2和δt3，代入公式

18、

19、其中，σ1、σ2是材料所受主应力大小，θ是最大主应力与纤维方向的夹角；

20、确定所述待检测碳纤维复合材料的结构应力大小及方向。

21、本发明实施例提供一种碳纤维复合材料应力检测系统，所述系统包括用于执行如上述任一实施例所述方法的设备和软件。

22、本发明上述实施例提供了一种可以检测碳纤维复合材料结构应力的简便方法，同时定量表征碳纤维复合材料的各向异性。本专利基于超声临界折射纵波法，根据等效刚度原理描述了应力对声速的诱导关系，完善了各向异性材料应力的检测原理和测量模型，定量表征碳纤维复合材料的各向异性，针对t700碳纤维复合材料进行应力检测，验证了碳纤复合材料超声应力检测方法的准确性。本发明对于大部分各向异性材料具有适用性，同时检测方法简单，准确性高，适用于服役中的碳纤维复合材料应力检测以及加工后残余应力检测。

技术特征：

1.一种碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，其特征在于，所述确定待检测碳纤维复合材料的应力系数，包括：

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，其特征在于，所述方法还包括：

4.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，其特征在于，所述确定所述待检测碳纤维复合材料的声时差，包括：

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法，其特征在于，所述根据所述应力系数和所述声时差，通过复合材料应力测量模型确定所述待检测碳纤维复合材料的结构应力，包括：

6.一种碳纤维复合材料应力检测系统，其特征在于，所述系统包括用于执行如权利要求1至5中任一项所述方法的设备和软件。

技术总结本发明提供了一种碳纤维复合材料应力检测及定量表征方法。提出了一种可以检测碳纤维复合材料结构应力的简便方法，同时定量表征碳纤维复合材料的各向异性。通过碳纤维复合材料临界折射纵波检测原理的进一步推导，刚度系数的敏感度分析，定量表征碳纤维复合材料的各向异性，碳纤维复合材料应力系数标定以及应力的检测方法，并通过实验进行方法验证。解决了针对碳纤维复合材料超声应力检测复杂的问题，通过对各向异性材料超声应力检测理论的进一步推导，提出了一种针对各向异性材料应力系数标定的方法，简化了碳纤维复合材料超声应力检测的方法，同时可以直观表现碳纤维复合材料的各向异性。技术研发人员：潘勤学,赵广源,徐佳祺,于昊申受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14