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动弹性模量超声纵横波同步扫描法研究

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2019-1-21 14:39:00 访问数:

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高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosive, PBX)的弹性模量是表征其抵抗外力发生变形能力的物理量。针对弹性模量传统检测的复杂性、费时性、破坏性的问题,基于声学法研制了一款超声纵横波一体化探头,搭建了一套基于声速法的PBX动弹性模量测量系统,通过试验验证横纵波一体化探头同步收-发横纵波获得横纵波声速并计算动弹性模量的可靠性,并通过开展不同配方PBX动、静弹性模量测量结果,获得了动、静弹性模量之间的关系。拟基于贮存时长、温度、湿度、压强的变化条件下,继续开展动弹性模量与力学性能的关联性研究,建立弹性模量无损测试规范,实现力学性能的无损诊断及应用,可望用于解决长期炸药部件力学性能监测不足的难题。

1  声速法动弹性模量测量基本原理

用声学法测定的动弹性模量,一般是在很小的应力和交变动负荷下测定的,其测试结果高于用静力学方法测得的结果,即在应力-应变曲线上相当于应力接近于零时的弹性模量,又可称为初期切线模量,是在动负荷作用下物体应力与应变的比值。

由声弹性法则可知,在无限大的固体介质中,超声波纵波和超声波横波的声速的计算公式分别为

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式中,E为介质的杨氏模量;G为介质的剪切模量;s为介质的泊松比;r为介质的密度;VL为纵波的声速;Vs为横波的声速。在实际情况中,介质的尺寸是一定大小的,不能满足无限大固体介质的条件。但是当固体介质的尺寸远远大于超声波的波长时,就可以视为无限大的介质。

由材料力学的甘肃快三可知,介质的杨氏模量E、剪切模量G和泊松比s之间存在如下的关系

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从式(4)、式(5)和式(6)可以看出,只要测量出介质的密度,超声波纵波声速和超声波横波声速,就可以计算得到介质的杨氏模量E、剪切模量G和泊松比s

2  动弹性模量测量系统

2.25 MHz横纵波一体化探头,集合常规纵波直探头和常规横波直探头为一体,包括吸声材料、纵波压电晶片、横波压电晶片、阻尼块、电缆线以及外壳等,其中横波、纵波压电晶片单独引出1根引线,纵波和横波保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按照原来的传播方向前进,不发生相互干扰,实现纵波和横波同时检测,保证纵波和横波垂直入射。如图1所示。

动弹性模量测量系统硬件由计算机、超声激励接收装置和超声波传感器组成,计算机上运行上位机动弹性模量测量系统软件控制超声激励接收装置,设置不同的超声波参数,回波信号通过超声激励接收装置处理后传回到计算机,读出需要的数据完成动弹性模量计算。如图2所示。

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3  不同PBX动、静模量比的测定

为了测定三种不同配方的PBX材料的动力和静力变形特性的关系,对每一个试样既进行压缩力学性能试验,又进行拉伸力学性能试验,根据应力和应变计算静弹性模量。同时测定平行试样的超声纵和横波声速,计算动弹性模量。将这些不同条件下测得的模量值进行比较并计算动、静模量比。压缩力学性能试验采用f20 mm60 mm圆柱状试样,拉伸力学性能试验采用f20 mm102 mm哑铃状试样,这些试样和声速法试样为平行试样,取自同一力学状态的PBX。如图3所示。

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4  热循环老化试验过程中的动弹性模量测量

为了测定两种不同配方的PBX经不同周期热循环老化过程中的动弹性模量变化趋势,开展室温~-40 ~ +75 ~室温每3个周期热循环后的动弹性模量测量,升降温速率为1/min,在高低温恒温2 h,每天3个周期,一共10轮,如图4所示。每种配方一共11个样品,每一轮3个热循环周期结束,保留1个样品,其余进入下一轮,每轮保留样品在整个热循环老化试验结束一个月后,进行动弹性模量测量,如图4中橘色曲线。

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