CN111174960A - 一种残余应力检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种残余应力检测系统及方法。所述系统包括：脉冲信号源，用于产生第一电信号；壳体，一端具有开口，待测件的预定检测区域覆盖于所述壳体的开口处，所述壳体上开设有通孔，探头，与所述脉冲信号源相连，所述探头通过所述通孔伸入所述壳体内，所述探头用于在所述第一电信号的激励下，向所述待测件的预定检测区域发射超声波，并接收经所述待测件反射回的超声波，以及将所述反射回的超声波转换为第二电信号；信号处理装置，与所述探头相连，用于根据所述第一电信号与所述第二电信号的时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。本公开可以提高残余应力检测效率并维护结构的安全性。

Description

一种残余应力检测系统及方法

技术领域

本公开涉及盾构隧道测试技术领域，特别涉及一种残余应力检测系统及方法。

背景技术

近年来，盾构隧道逐渐朝着大埋深、长距离和断面多样化等方向发展，在复杂地形的地下交通和地下综合管廊等重大基础设施施工和应用中具有一定优势。目前，既适用于高水压、大土压等复杂条件，也适用于断面多样化的盾构隧道复合管片已被研发出来，例如球墨铸铁复合管片和钢混复合管片。钢混复合管片由6面钢板焊接形成密闭腔体，之后向腔内压注混凝土，此外，面板上还需要焊接剪力键，焊接制作加工过程中，钢板局部会受到焊接高温的作用，高温带来的不均匀温度场导致构件内产生比普通钢结构更严重的应力重分布，从而引起较大的残余应力，影响结构的安全性；同时，地铁运营过程中，列车产生的振动等也会对残余应力产生影响，形成不同程度的应力集中或者应力重分布，从而降低结构的安全系数。可以看出，对复合管片钢构件残余应力水平的快速、高效、无损害检测，对于残余应力的消除、结构的维护与加固等有重要的安全保障。

目前，钢材残余应力的检测方法主要分为破损方法和非破损方法。破损方法主要包括有盲孔法、切条法、剖分法等。非破损方法主要包括磁测法、X射线衍射法、压痕应变法等。但是上述方法仍存在以下不足：

破坏方法需要对构件进行钻孔、切条等，需要对测试区域贴应变花，之后进行打孔，释放应变花附近区域的应力，进而采集区域内的残余应力。因此，此种方法对构件的完整度有破坏作用，若将其运用到盾构隧道复合管片钢构件残余应力的检测，不仅会对构件的承载力、刚度等产生不利影响，同时也会耗费大量的人力、物力、财力等，效率极其低下。在非破坏方法中，利用x射线对残余应力的测试只能测试几十个微米厚度，不能满足管片钢材厚度的要求；其他的方法较为繁琐，测量仪器笨重，不适用于盾构隧道的应用。

可见上述检测方法均存在诸多缺陷，例如耗费人力、效率低、并且对构件的完整度有破坏作用，不适用于隧道工程。因此，亟需一种残余应力检测系统及方法，以提高残余应力检测效率并维护结构的安全性。

发明内容

本公开的目的是提供一种残余应力检测系统及方法，以提高残余应力检测效率并维护结构的安全性。

为实现上述目的，本公开实施例提供一种残余应力检测系统，所述系统包括：

脉冲信号源，用于产生电信号；

壳体，一端具有开口，待测件的预定检测区域覆盖于所述壳体的开口处，所述壳体上开设有通孔；

探头，与所述脉冲信号源相连，所述探头通过所述通孔伸入所述壳体内，所述探头用于在所述脉冲信号源产生的电信号的激励下，向所述待测件的预定检测区域发射超声波，并将所述待测件反射回的超声波转换为电信号；

信号处理装置，与所述探头相连，用于根据所述脉冲信号源产生电信号的时间与所述探头将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

此外，利用上述残余应力检测系统，本公开实施例还提供一种残余应力检测方法，所述方法包括：

预先获取与待测件相同材料及厚度的标准件；

在所述标准件处于零应力的情况下，进行声弹性系数标定，并利用所述残余应力检测系统向所述标准件发射超声波，以确定脉冲信号源产生电信号的时间与探头将所述标准件反射回的超声波转换为电信号的时间的第一时间差；

利用所述残余应力检测系统向所述待测件的预定检测区域发射超声波，以确定脉冲信号源产生电信号的时间与探头将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的第二时间差；

根据所述声弹性系数、所述第一时间差以及所述第二时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

由以上本公开实施例提供的技术方案可见，本公开提供的检测系统可以通过发射超声波对待测件的残余应力进行检测，不会对待测件进行损伤，并且检测系统可以安装于滑动式轨道上，通过滑动式轨道实现检测系统的移动，从而对待测件的不同位置处的残余应力进行检测，节省了人力，提高了残余应力的检测效率。

附图说明

图1是本公开实施例提供的一种残余应力检测系统的示意图；

图2是本公开实施例提供的一种残余应力检测方法的流程图；

图3是本公开实施例提供的一种残余应力检测原理示意图；

图4是利用图1所示的残余应力检测系统对盾构隧道钢混复合管片的残余应力进行检测的示意图；

图5是利用超声波探测盾构隧道钢混复合管片的内钢板的示意图。

附图标记说明：

1-残余应力检测系统；2-滑动式轨道；3-复合管片外钢板；4-复合管片内钢板；5-复合管片内部填充混凝土；6-壳体；7-信号处理装置；8-数据存储装置；9-脉冲信号源；10-探头；11-折射装置；12-耦合剂填充装置。

具体实施方式

本公开实施例提供一种残余应力检测系统及方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开中的技术方案，下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本公开保护的范围。

结合图1，本公开实施方式中提供一种残余应力检测系统1，可以包括：

脉冲信号源9，用于产生电信号；

壳体6，一端具有开口，待测件的预定检测区域覆盖于所述壳体6的开口处，所述壳体6上开设有通孔；

探头10，与所述脉冲信号源9相连，所述探头10通过所述通孔伸入所述壳体6内，所述探头10用于在所述脉冲信号源9产生的电信号的激励下，向所述待测件的预定检测区域发射超声波，并将所述待测件反射回的超声波转换为电信号；

信号处理装置7，与所述探头10相连，用于根据所述脉冲信号源9产生电信号的时间与所述探头10将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

在本实施方式中，脉冲信号源9可以产生电振荡，并加于探头10，激励探头10发射超声波。

在本实施方式中，壳体6可以采用非导磁材料。

在本实施方式中，探头10可以具有多个自由度，以调整超声波的发射角度或接收角度。

在一些实施方式中，所述系统还可以包括折射装置11，位于所述壳体内，用于折射所述探头发射的超声波。

具体的，该折射装置11可以是有机玻璃楔块，超声波可以第一临界入射角射入有机玻璃楔块，并经有机玻璃楔块折射后，以第一临界折射纵波射入所述待测件的预定检测区域。其中，第一临界入射角射入有机玻璃楔块后，折射角等于90度，第一临界折射纵波的传播速度快、衰减较小，对应力较为敏感，同时第一临界折射纵波的穿透能力强，对于大多数介质，有较强的穿透能力，对于一些金属材料的穿透程度甚至可达数米。

在一些实施方式中，所述系统还可以包括耦合剂填充装置12，位于所述壳体6内，用于将耦合剂填充于所述待测件与所述壳体6相接触位置的间隙，通过耦合剂填充待测件与壳体6之间存在的空气间隙，使得超声波能够传入待测件，不产生损耗和削弱。

在一些实施方式中，所述系统还可以包括数据存储装置8，与所述信号处理装置7相连，用于存储所述信号处理装置7计算得到的所述残余应力。具体的，数据存储装置8可以是存储芯片，可以存储有待测件上不同位置的残余应力的值，还可以存储有同一位置不同时刻的残余应力的值。

在一些实施方式中，所述系统还可以包括滑动式轨道2，用于固定残余应力检测系统1，并使所述系统沿所述轨道的路径进行移动。具体的，利用所述残余应力检测系统1对盾构隧道钢混复合管片的残余应力进行检测时，可以将滑动式轨道2铺设于盾构隧道的拱腰处。

请参阅图2，利用本公开提供的残余应力检测系统，本公开实施方式中还相应提供一种残余应力检测方法，该方法可以包括如下步骤：

S1：预先获取与待测件相同材料及厚度的标准件。

S2：在所述标准件处于零应力的情况下，进行声弹性系数标定，并利用所述残余应力检测系统1向所述标准件发射超声波，以确定脉冲信号源9产生电信号的时间与探头10将所述标准件反射回的超声波转换为电信号的时间的第一时间差。

在本实施方式中，由于超声波在待测件中的传播速度与待测件中的残余应力存在着声弹性关系，即声波在待测件中的传播速度与待测件中的残余应力基本呈现线性关系，为了利用超声波与残余应力之间的关系，对待测件的残余应力进行检测，需要先对声弹性系数进行标定，因此需要预先获取与待测件相同材料及厚度的标准件，并在该标准件处于零应力的情况下，确定声弹性系数。

在本实施方式中，参考图3所示，超声波可以第一临界入射角射入折射装置11，并经所述折射装置11折射后，以第一临界折射纵波射入所述标准件。从而获得超声波在零应力情况下的第一时间差。

S3：利用所述残余应力检测系统向所述待测件的预定检测区域发射超声波，以确定脉冲信号源产生电信号的时间与探头10将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的第二时间差。

在本实施方式中，超声波可以第一临界入射角射入折射装置11，并经所述折射装置11折射后，以第一临界折射纵波射入所述待测件的预定检测区域。

在一些实施方式中，在残余应力检测系统1伸长至与待测件表面接触后，耦合剂填充装置12释放耦合剂，填充接触面间的空气间隙。

S4：根据所述声弹性系数、所述第一时间差以及所述第二时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

在本实施方式中，根据所述声弹性系数、所述第一时间差以及所述第二时间差，可以利用以下公式确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力：

σ＝K(t-t₀)

其中，σ为所述残余应力，K为所述声弹性系数，t为所述第二时间差，t₀为所述第一时间差。

在一些实施方式中，可以重复以上步骤，对每个预定检测区域进行多次的检测，计算完残余应力后，将每个预定检测区域不同时刻测点的残余应力值分别存储于数据存储装置8内，待检测完成后读取出存储的数据，计算出每个预定检测区域的平均残余应力作为最终的残余应力。

具体的，可以将包络数据离散为数字信号，计算结果形成集合σ_mn，其中m为预定检测区域的编号，n表示在该预定检测区域采集的第几次数据，取1，2，3…10，即每个测点可以采集10次，将采集得到的数据集合存储至数据存储装置8中，待所有检测完成之后，读取数据，通过可视化窗口计算平均值作为该预定检测区域的残余应力，公式可以为

参考图4所示，为利用本公开提供的残余应力检测系统1对盾构隧道钢混复合管片的残余应力进行检测的示意图。

在利用残余应力检测系统1对盾构隧道钢混复合管片的残余应力进行检测时，步骤S3还可以包括：

S31：沿盾构隧道的指定路径铺设滑动式轨道2，将残余应力检测系统1组装至轨道处，并设定残余应力检测系统1的移动位置，使其依次移动至各个预定检测区域。

具体的，可以在盾构隧道的拱腰处铺设滑动式轨道2。

参考图5所示，为利用超声波探测盾构隧道钢混复合管片的内钢板的示意图。残余应力检测系统1发出超声波后，以第一临界折射纵波的形式先射入复合管片内钢板4；当第一临界折射纵波经过复合管片内钢板4与复合管片内部填充混凝土5的临界面时，由于两种介质不同，传递回来的波速会产生不同，达到探头的时间也不同，此时探头将声信号转换为电信号，传送临界折射纵波的包络数据至信号处理装置7。

可以看出，相较于传统的破损方法和非破损方法，本申请提供的残余应力检测系统及方法至少具备以下技术效果：

一方面，本公开选用的第一临界折射纵波与质点的振动方向相同，对被检测构件无损伤，且探测深度可满足需要，能够高效、智能地检测钢混复合管片相关路径上的残余应力。

另一方面，本公开可以检测盾构隧道不同位置处的残余应力，通过滑动式轨道实现残余应力检测系统位置的移动，从而节省大量人力，能够快速地掌握残余应力的动态变化。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本申请的几个实施方式，虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本申请的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本申请。任何本申请所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种残余应力检测系统，其特征在于，包括：

脉冲信号源，用于产生电信号；

壳体，一端具有开口，待测件的预定检测区域覆盖于所述壳体的开口处，所述壳体上开设有通孔；

探头，与所述脉冲信号源相连，所述探头通过所述通孔伸入所述壳体内，所述探头用于在所述脉冲信号源产生的电信号的激励下，向所述待测件的预定检测区域发射超声波，并将所述待测件反射回的超声波转换为电信号；

信号处理装置，与所述探头相连，用于根据所述脉冲信号源产生电信号的时间与所述探头将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

折射装置，位于所述壳体内，用于折射所述探头发射的超声波。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

耦合剂填充装置，位于所述壳体内，用于将耦合剂填充于所述待测件与所述壳体相接触位置的间隙。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

数据存储装置，与所述信号处理装置相连，用于存储所述信号处理装置计算得到的所述残余应力。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

滑动式轨道，用于固定所述系统，并使所述系统沿所述轨道的路径进行移动。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探头具有多个自由度，以调整所述超声波的发射角度或接收角度。

7.一种利用权利要求1-6中任意一种所述残余应力检测系统实现的残余应力检测方法，其特征在于，所述方法包括：

预先获取与待测件相同材料及厚度的标准件；

在所述标准件处于零应力的情况下，进行声弹性系数标定，并利用所述残余应力检测系统向所述标准件发射超声波，以确定脉冲信号源产生电信号的时间与探头将所述标准件反射回的超声波转换为电信号的时间的第一时间差；

利用所述残余应力检测系统向所述待测件的预定检测区域发射超声波，以确定脉冲信号源产生电信号的时间与探头将所述待测件反射回的超声波转换为电信号的时间的第二时间差；

根据所述声弹性系数、所述第一时间差以及所述第二时间差，确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波以第一临界入射角射入折射装置，并经所述折射装置折射后，以第一临界折射纵波射入所述待测件的预定检测区域或所述标准件。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述声弹性系数、所述第一时间差以及所述第二时间差，利用以下公式确定所述待测件在所述预定检测区域的残余应力：

σ＝K(t-t₀)

其中，σ为所述残余应力，K为所述声弹性系数，t为所述第二时间差，t₀为所述第一时间差。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在利用所述残余应力检测系统检测盾构隧道复合管片的残余应力时，还包括：

沿所述盾构隧道的指定路径铺设滑动式轨道，以将所述残余应力检测系统固定于所述滑动式轨道，并使所述残余应力检测系统沿所述指定路径进行移动。

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