一种利用仿真软件计算声弹性系数的方法与流程

1.本发明涉及超声波检测技术领域，尤其涉及一种利用仿真软件计算声弹性系数的方法。


背景技术：

2.标定是超声波应力检测仪测量使用的前提工作。标定的目的是获取声弹性系数，即材料声速变化与受力之间的关系，这是预紧力检测的前提。
3.超声波在有应力的材料中传播时，其剪切波沿两个主应力方向发生偏振，这两种偏振波以不同的速度传播。实验和理论分析得到的应力声学规律是，沿主应力方向的两个超声剪切波的速度差和两个主应力之差成正比，这个比例系数称为声弹性系数。在超声应力检测方法中，通常认为波速与应变之间为线性关系，关键环节是如何准确得到声速基于应力变化的关系参数，即声弹性系数。
4.应力σ与纵波波速v近似呈线性关系
[0005][0006]
σ为金属中的应力值；v为纵波波速；v0为金属自由状态下纵波的传播速度；k
l
为金属声弹性系数。
[0007]
这种现象和透明材料的光弹性效应相似，可以用来进行应力测量。声弹性方法的主要优点是可以测量非透明材料中的应力，特别是金属内部的应力。
[0008]
现有声弹性应力检测方法均是通过实验分别测得零应力和加载特定应力状态下的波速变化，实现对相应材料声弹性系数的标定。实际工作中，很难获得具有零应力的工程材料。另外，在役复杂结构部件无法进行实际加载试验，无法确定复杂应力场对声弹性系数的影响，因此测量结果会出现较大误差。


技术实现要素：

[0009]
本发明创造提供一种利用仿真软件计算声弹性系数的方法，能够直观的显示螺栓受力状态，对螺栓进行声弹性系数标定具有明显的周期短和成本低等优势。
[0010]
为了实现上述目的，本发明创造采用了如下技术方案：
[0011]
一种利用仿真软件计算声弹性系数的方法，其步骤为：
[0012]
步骤1)利用采用基于固体力学和非线性超弹性材料模型结合的方式建立仿真模型。
[0013]
步骤2)设定材料属性，包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及超弹性材料参数。
[0014]
步骤3)采用固体力学求解器计算超声波传播速度与螺栓应力之间的关系；
[0015]
3.1)网格的划分：采用固体力学进行超声波测量螺栓应力的仿真分析过程中，将超声波以应力波的形式进行加载和计算，网格最小尺寸应小于应力波波长的五分之一；
[0016]
3.2)边界条件的设置：根据分析要求，固体力学分析超声波测量螺栓应力，超声波
的振源与弹性波理论模型振源位置相同；
[0017]
3.3)求解计算：采用固体力学求解器进行求解，设定求解分析时间步骤为0.01～8μs，设定时间间隔为0.05μs。
[0018]
步骤4)提取应力图、压力云图以及底面的声速时程响应曲线图，从而得到处理结果。
[0019]
本发明创造的有益效果：
[0020]
(1)采用仿真分析软件能够直观的显示螺栓受力状态，从而在宏观上确定螺栓连接受力过程中均匀应力或局部集中应力对超声波波速传播的影响规律。对螺栓进行声弹性系数标定时具有明显的周期短和成本低等优势；
[0021]
(2)采用仿真分析软件能够对局部应力集中区域进行超声波传播波速的提取，从而在微观上确定螺栓连接受力过程中，应力与超声波传播速度的关系。确定出现应力集中时超声波的传播状态，从而指导实际超声波测量螺栓应力过程中对螺栓应力分布的评判；
[0022]
(3)采用仿真分析软件能够直观分析螺栓所受拉应力、压应力和剪应力对超声波状态的影响规律，从而指导实际超声波测量螺栓应力过程中对螺栓应力状态的评判。
附图说明
[0023]
图1为螺栓分析模型图。
[0024]
图2为钢的材料属性图。
[0025]
图3为螺栓模型的网格图。
[0026]
图4为螺栓模型的边界条件设定图。
[0027]
图5为螺栓应力云图。
[0028]
图6为螺栓压力波图。
[0029]
图7为应力时程响应曲线图。
[0030]
图8为标定得到的声弹性系数图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0032]
本发明主要针对现有技术中声弹性系数的标定需要利用大型的拉伸试验机进行具体的实验检测，提供一种利用仿真模拟得到声弹性系数的方法，具体是利用采用基于固体力学和非线性超弹性材料模型结合的方式建立仿真模型，设定材料属性，包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及超弹性材料参数，采用固体力学求解器计算超声波传播速度与螺栓应力之间的关系，后处理结果中提取应力图、压力云图以及底面的声速时程响应曲线图。
[0033]
具体的，声弹系数标定时，等步距加载，到达预定应力值后，自动计算出声速变化量，并自动拟合获取系数。标定加载一般要在5个点以上。
[0034]
从零应力开始，以50mpa的固定载荷进行加载直至400mpa，每个步长加载后进行超声波声速仿真计算。
[0035]
实施例1：
[0036]
本发明是一种利用仿真软件计算声弹性系数的方法，采用基于固体力学和超弹性理论建立仿真模型，具体实施步骤如下：
[0037]
(1)几何模型的建立。采用20mm
×
8mm的长方形等效为基于超声波理论的螺栓模型进行理论分析，其模型如图1所示。模型中两侧为线弹性材料区，中间为超弹性材料区。
[0038]
(2)材料属性的设置
[0039]
采用钢材料属性作为螺栓模型的材料属性，主要设定钢材料的弹性模量、泊松比、密度以及超弹性材料参数即可，如图2所示。
[0040]
(3)网格的划分
[0041]
由于采用固体力学进行超声波测量螺栓应力的仿真分析过程中，将超声波以应力波的形式进行加载和计算，因此，网格最小尺寸应小于应力波波长的五分之一，如图3所示。
[0042]
(4)边界条件的设置
[0043]
根据分析要求，固体力学分析超声波测量螺栓应力，超声波的振源与弹性波理论模型振源位置相同，如图4所示。两侧设定为低反射边界，底部设定为辊支承。
[0044]
(5)求解计算
[0045]
采用固体力学求解器进行求解，设定求解分析时间步骤为0.01～8μs，设定时间间隔为0.05μs。
[0046]
(6)后处理结果提取
[0047]
后处理结果中主要分析应力结果云图、压力结果云图以及底面的声速时程响应曲线图，分别如图5、图6和图7所示。
[0048]
螺栓应力为0mpa、50mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa、300mpa、350mpa和400mpa时，压力波传播的时间分别为3.495μs、3.501μs、3.505μs、3.509μs、3.511μs、3.515μs、3.521μs、3.526μs、3.529μs；超声波传播速度分别为5722m/s，5712m/s，5706m/s，5700m/s，5696m/s，5689m/s，5680m/s，5672m/s，5667m/s。
[0049]
表1：45cr螺栓材料超声测量数据
[0050]
序号载荷/mpa超声波波速/(m/s)105722250571331005706415057005200569662505690730056808350567294005667
[0051]
将测得的数据拟合成声速
‑
加载应力关系曲线，如图8所示，标定得到的声弹性系数k
l
＝4.7026
×
10
‑5mpa
‑1。
[0052]
本发明专利中，所提及的仿真软件，可以为ansys、abaqus等有限元分析软件。只要具有固体力学和非线性超弹性材料建模、固体力学求解等功能，均可应用在本发明方法中。并实现所述本发明目的。