具有双轴及曲面分布特征的焊接残余应力场的声弹性效应研究

焊接结构的残余应力是评价其安全可靠性的重要参数，基于声弹性理论的超声波法测试应力的新技术具有无损、便利、可靠的特点。目前较为先进的利用LCR波测试应力的研究主要针对单轴应力条件下的平表面构件，但由于焊接构件通常具有弯曲的表面（焊接应力引起或结构本身固有）及二维（或三维）应力分布特征，于是，已有的相关基础理论和试验研究成果的合理性和适应性还不十分清楚。基于此分析，本工作以具有平面应力特征且带有曲率的板状焊接件为研究对象，在理论上探索声弹性方程式的合理简化途径，在技术层面上首次提出利用LCR波及表面瑞利波作为测试波型研究焊件曲率表面的应力状态，通过研制双轴加载装置和设计专门试验，结合先进的信号处理策略，拓展现有的声弹性理论方程式的适应能力，突破焊接残余应力测试中的关键技术瓶颈。主要的研究内容包括：双轴应力场中声弹性效应的特殊规律、描述方式和简化方法、分析波型沿具有一定曲率表面传播的规律等。

焊接结构的残余应力是影响其服役性能的重要参数，残余应力的无损高精度测试技术是工程领域迫切需求的关键技术之一。基于声弹性理论的超声波法测试应力的新技术诸多特点，目前利用Lcr波测试应力的研究主要针对单轴应力条件下的构件，但由于焊接构件通常具有高梯度应力场及二维应力分布特征，从而造成已有的相关基础理论和试验研究成果的适应性出现了问题，无法满足应用方面的需求。基于此分析，本工作以具有平面应力特征且带有曲率的板状焊接件为研究对象，在理论上探索出声弹性方程式的合理简化途径，通过研制双轴加载装置和设计专门试验，结合先进的信号处理策略，有效拓展了现有的声弹性理论方程式的适应能力，突破了焊接残余应力测试中的关键技术瓶颈，主要的研究成果包括：掌握了单轴及双轴应力场中声弹性效应的特殊规律、描述方式和简化方法、分析波型沿具有一定曲率表面传播的规律，根据临界折射纵波实际传播中的受力状态，结合应力—应变的非线性关系，推导了复杂应力状态下的临界折射纵波声弹性方程。根据表面上沿厚度方向应力为零的条件，将其简化到平面应力状态。根据推导获得的平面应力状态下临界折射纵波声弹性方程，分析了基于单轴声弹性效应的临界折射纵波表面应力测量方法的不合理性，指出在应力测量中，垂直声速方向应力引起的声弹性效应不可忽略；根据实际声速测量与临界折射纵波探头结构，将平面应力下临界折射纵波声弹性方程中声速与应力的关系转化为声传播时间与应力的关系，并进行简化；根据实际工程需要，提出了可以直接测得所需方向应力的正交法以及可以测出主应力大小和方向的三向法两种临界折射纵波平面应力测量方法；使用信号发生器、数字示波器、临界折射纵波探头组和计算机搭建了应力测量系统，实现了利用临界折射纵波对平面应力场的实时快速测量，基于理论研究的突破研制出较为成熟的软硬件测试系统，初步实现了设备在重大工程对象中的应用，研究成果达到国际先进水平。