一种粘弹性材料松弛时间的测定方法

摘要

本发明公开了一种粘弹性材料松弛时间的测定方法，优点是由于超声波检测仪的换能器沿与试件长度方向垂直的方向(也可认为是沿试件的径向)按压在试件的检测点上，因此可将多个检测点都设置在同一个待测试件上，排除了混凝土等粘弹性材料的单体差异性所带来的误差，同时在测试过程中也不会对待测试件产生损坏，排除了所测得波形中的损伤影响，从而保证测试得到的结果比较准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料特征参数的测定方法，尤其涉及一种粘弹性材料松弛时间的测定方法。

背景技术

松弛时间是建立粘弹性材料(如混凝土、水泥砂浆、陶瓷等)本构模型的重要参数，目前检测粘弹性材料松弛时间的方法主要有；超声波检测和分离式霍普金森压杆检测法。其中，超声波检测法是将超声波检测仪的换能器100作用在试件200轴向的两端，并对多个不同长度的同种材料的试件进行检测，提取每个不同长度试件上所测得的超声波信号，对每个波形的首波波幅值进行数据拟合，得出波幅在不同长度试件中的衰减系数，从而计算得到材料的松弛时间，但是由于是对多个不同的试件进行测试，而水泥砂浆、混凝土等粘弹性材料的单体差异性很大，由此使测试得到的波形数据波动很大，给检测带来很大的误差；对于霍普金森压杆检测法，由于在粘弹性材料的试件上传播的是一个压缩波，在试件的内部会产生拉应力，该拉应力对试件的内部结构有很大的破坏，在测试得到的波形上无法分离损伤影响，而采用理论的方法分离损伤影响有很大的随意性，因此使得测试得到的松弛时间与实际之间存在很大的偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测试误差较小、得到的结果比较准确的粘弹性材料松弛时间的测定方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粘弹性材料松弛时间的测定方法，它包括以下步骤：

(1)、先将超声波检测仪的换能器与其主机连接好，并根据待测试件的材料、尺寸等设定检测仪的检测参数；

(2)、在待测试件上沿长度方向标记出多个检测点的位置，相邻两个检测点之间间隔一定的距离；

(3)、在换能器上涂上耦合剂，并将换能器的发射端沿与试件长度方向垂直的方向按在第一个检测点上，将换能器的接收端沿与试件长度方向垂直的方向按在第二个检测点上，测出第二个检测点的超声波波形；

(4)、按住换能器的发射端不动，将换能器的接收端依次沿与试件长度方向垂直的方向按在第三、第四…检测点上，同时在每次测试之前设定检测仪的检测增益参数相同，然后依次测出第三、第四…检测点的超声波波形，直至测出试件上所有检测点的超声波波形；

(5)、在所测得的每个检测点的超声波波形中，提取首波(即膨胀波)的波形，然后根据每个检测点的首波波幅和相应检测点的位置进行数据拟合，并通过公式U(x)＝U₀e^-αx得到波幅的衰减系数α，其中χ表示每个检测点离换能器发射端的距离，U₀表示x＝0时的该检测点的首波波幅，U(x)表示每个检测点在其χ对应位置的首波波幅；

(6)、将所得到的衰减系数α代入公式

${\tau }_M=\frac{({\left(\frac{\omega }{c}\right)}^2-{\alpha }^2)c}{{2\omega }^2\alpha }$

中计算得到粘弹性材料的松弛时间τ_M，其中ω表示测试时所设定的超声波频率，C表示待测试件的材料的波速。

所述的超声波检测仪为ZBL-U520非金属超声波检测仪。

与现有技术相比，本发明的优点是由于超声波检测仪的换能器沿与试件长度方向垂直的方向(也可认为是沿试件的径向)按压在试件的检测点上，因此可将多个检测点都设置在同一个待测试件上，排除了混凝土等粘弹性材料的单体差异性所带来的误差，同时在测试过程中也不会对待测试件产生损坏，排除了所测得波形中的损伤影响，从而保证测试得到的结果比较准确。

附图说明

图1为现有的超声波检测示意图；

图2为本发明的待测试件的超声波检测示意图；

图3a-图3j为本发明实施例一的各检测点的超声波波形图；

图4为本发明实施例一所提取的各检测点的超声波首波波形图；

图5为本发明实施例一的各检测点的首波波幅与位置的拟合图；

图6a-图6e为本发明实施例二的各检测点的超声波波形图；

图7为本发明实施例二所提取的各检测点的超声波首波波形图；

图8为本发明实施例二的各检测点的首波波幅与位置的拟合图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：取水泥混凝土梁试件1作为本次实验的测定对象，对其松弛时间的测定方法包括以下步骤：

(1)、先将ZBL-U520非金属超声波检测仪的换能器与其主机(图中未显示)连接好，并设定好检测仪的以下检测参数：采样长度为512、发射脉宽为0.04ms、采样周期为0.4μs、发射电压为1000V；

(2)、在试件1上沿长度方向标记出十一个检测点11的位置，相邻两个检测点11之间的间隔距离为100mm；

(3)、在换能器上涂上耦合剂，并将换能器的发射端21沿与试件1长度方向垂直的方向按在第一个检测点11上，将换能器的接收端22沿与试件1长度方向垂直的方向按在第二个检测点11上，测出第二个检测点11的超声波波形，见附图3所示；

(4)、按住换能器的发射端21不动，将换能器的接收端22依次沿与试件1长度方向垂直的方向按在第三、第四…检测点11上，同时在每次测试之前设定检测仪的检测增益参数相同，然后依次测出第三、第四…检测点11的超声波波形，直至测出试件1上所有检测点11的超声波波形，见附图3所示；

(5)、在所测得的每个检测点11的超声波波形中，提取首波(即膨胀波)的波形，见附图4所示，然后根据每个检测点的首波波幅和相应检测点的位置进行数据拟合，见附图5所示，并通过公式U(x)＝U₀e^-αx计算得到波幅的衰减系数α的值，其中χ表示每个检测点离换能器发射端的距离，U₀表示x＝0时的该检测点的首波波幅，U(x)表示每个检测点在其χ对应位置的首波波幅；

(6)、将所得到的衰减系数α的值代入公式

${\tau }_M=\frac{({\left(\frac{\omega }{c}\right)}^2-{\alpha }^2)c}{{2\omega }^2\alpha }$

中计算得到水泥混凝土梁试件的松弛时间τ_M，其中ω表示测试时所设定的超声波频率(即ω＝1/0.04ms)，C表示水泥混凝土梁试件的材料波速。

实施例二：取水泥砂浆柱试件1作为本次实验的测定对象，对其松弛时间的测定方法包括以下步骤：

(1)、先将ZBL-U520非金属超声波检测仪的换能器与其主机(图中未显示)连接好，并设定好检测仪的以下检测参数：采样长度为512、发射脉宽为0.04ms、采样周期为0.4μs、发射电压为1000V；

(2)、在试件1上沿长度方向标记出六个检测点11的位置，相邻两个检测点11之间的间隔距离为80mm；

(3)、在换能器上涂上耦合剂，并将换能器的发射端21沿与试件1长度方向垂直的方向按在第一个检测点11上，将换能器的接收端22沿与试件1长度方向垂直的方向按在第二个检测点11上，测出第二个检测点11的超声波波形，见附图6所示；

(4)、按住换能器的发射端21不动，将换能器的接收端22依次沿与试件1长度方向垂直的方向按在第三、第四…检测点11上，同时在每次测试之前设定检测仪的检测增益参数相同，然后依次测出第三、第四…检测点11的超声波波形，直至测出试件1上所有检测点11的超声波波形，见附图6所示；

(5)、在所测得的每个检测点11的超声波波形中，提取首波(即膨胀波)的波形，见附图7所示，然后根据每个检测点的首波波幅和相应检测点的位置进行数据拟合，见附图8所示，并通过公式U(x)＝U₀e^-αx计算得到波幅的衰减系数α的值，其中χ表示每个检测点离换能器发射端的距离，U₀表示x＝0时的该检测点的首波波幅，U(x)表示每个检测点在其χ对应位置的首波波幅；

(6)、将所得到的衰减系数α的值代入公式

${\tau }_M=\frac{({\left(\frac{\omega }{c}\right)}^2-{\alpha }^2)c}{{2\omega }^2\alpha }$

中计算得到水泥砂浆柱试件的松弛时间τ_M，其中ω表示测试时所设定的超声波频率(即ω＝1/0.04ms)，C表示水泥砂浆柱试件的材料波速。

上述实施例中，计算松弛时间τ_M的公式以《应力波基础》、《材料的动力学行为》等材料为基础经过下列推导得到：

(一)动量定理

$\frac{{\partial \sigma }_{\mathrm{ij}}}{{\partial x}_j}=\rho \frac{{\partial }^2{u}_i}{{\partial t}^2}---\left(1a\right)$

两边取拉普拉斯(Laplace)变换得到：

$\frac{\partial {\bar{\sigma }}_{\mathrm{ij}}}{\partial x_j}=\rho s^2{\bar{u}}_i---\left(1b\right)$

(二)Maxwell(马克斯威尔)模型

${\sigma }_{\mathrm{ij}}={\int }_0^t[3k(t-{\tau }_M)I_{\mathrm{ijkl}}^m+2\mu (t-{\tau }_M)I_{\mathrm{ijkl}}^s]:{\stackrel{·}{ϵ}}_{\mathrm{kl}}\left({\tau }_M\right){\mathrm{d\tau }}_M---\left(2\right)$

$k\left(t\right)=\frac{E}{3(1-2v)}$$\mu =\frac{E}{2(1+v)}$$E\left(t\right)=E_0{e}^{-\frac{t}{{\tau }_M}}$

作Laplace变换后得到：

${\bar{\sigma }}_{\mathrm{ij}}=[3s\bar{k}{I}_{\mathrm{ijkl}}^{\left(m\right)}+2s\bar{\mu }{I}_{\mathrm{ijkl}}^{\left(s\right)}]:{\overline{ϵ}}_{\mathrm{kl}}---\left(3\right)$

(三)柯西方程

${ϵ}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}+\frac{{\partial u}_j}{{\partial x}_i})---\left(4a\right)$

作Laplace变换得到：

${\overline{ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(\frac{\partial {\bar{u}}_i}{\partial x_j}+\frac{\partial {\bar{u}}_j}{\partial x_i})---\left(4b\right)$

将公式(3)、(4b)代入公式(1b)后可得

$\frac{{\partial }^2\theta }{\partial t^2}+\frac{1}{{\tau }_M}\frac{\partial \theta }{\partial t}=\frac{\lambda \left(0\right)+2\mu \left(0\right)}{\rho }{▿}^2\theta ---\left(5\right)$

求解方程(5)即可得到松弛时间τ_M的计算公式：

${\tau }_M=\frac{({\left(\frac{\omega }{c}\right)}^2-{\alpha }^2)c}{{2\omega }^2\alpha }$