[发明专利]一种基于单纯形法的半无限域基体涂层结构材料弹性性质获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单纯形法的半无限域基体涂层结构材料弹性性质获取方法，属于超声导波无损检测与评估领域。

背景技术

表面工程是再造技术的重要组成部分，同时又为先进制造技术的发展提供了很好的技术支撑，表面工程是指利用物理、化学或其他方法在材料表面制备一层不同于基体材料且有一定厚度的强化、防护覆盖层。涂层材料广泛应用于航空航天、机械、石油、化工、核电及微器件与微制造等领域，其主要功能是防腐、耐摩擦、抗氧化等表面防护。鉴于涂层在工业领域应用越来越广泛，现代工业对装备可靠性、安全性的要求不断提高，涂层强度和失效分析越来越重要，同时涂层的力学性能的表征可以及时对工业镀覆技术进行改进提供参考。

声速和材料显微结构参数中一部分参数相关，超声波声速在材料中传播速度的变化通常与显微结构特性和力学性能的显著变化相关，同时由于超声波具有穿透能力强，频带宽和可实现对材料的无损检测等优势，超声波速法在材料质量检测和评价中得到广泛应用。

当超声波波长小于基底厚度时，视为半无限域基体涂层结构材料，通过小尺寸材料弹性常数测量系统，根据V(f，z)频域分析法，采用线聚焦PVDF探头，进行频散分析。将纵波和表面波波速的同时测量，可实现材料的弹性系数无损检测。经由一种新的反演算法，利用该线聚焦超声探头来获取半无限域基体涂层结构材料的表面波波速。该方法基于单纯形法诱导目标函数于频散特征方程的系数矩阵行列式中，半无限域基体涂层结构材料的弹性性质与试样密度都可以通过声学性质及所测密度来获得。

发明内容

本发明的目的是为了解决半无限域基体涂层结构材料波速提取的问题，提出一种先进的材料波速提取方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于单纯形法的半无限域基体涂层结构材料弹性性质获取方法，该方法的实现步骤如下，

步骤1确立获得表面波波速反演的仿真目标函数

通过实验获得的频率f与表面波波速c与改变纵波波速C_L，横波波速C_T，涂层密度ρ，涂层厚度h后的残差值进行叠加，经过叠加后的目标函数在某一组C_L,C_T,ρ,h值时最小，此时可反演出其横、纵波波速、镀层密度、镀层厚度。

步骤2搭建表面波波速测试系统

为了方便散焦步进测量，搭建了一套进行散焦步进测量的测试系统，如图1所示。该测试系统包括试样1、水槽与水2、换能器3、移动平台4、脉冲激励/接收仪5、示波器6、GPIB总线7、PXI总控制系统8、移动伺服马达9、旋转轴10；其中，在移动平台4下面安装换能器3，换能器3与脉冲激励/接收仪5相连，脉冲激励/接收仪5与示波器6相连，示波器6通过GPIB总线7与PXI总控制系统8相连，PXI总控制系统8与移动伺服马达9相连，同时PXI总控制系统8与旋转轴10相连。

步骤3聚焦面数据采集。

将被测试样置于换能器的聚焦面，脉冲激励/接收仪5在发出一个带宽为10-200MHz的脉冲后转换为接收状态，当接收到反射信号后，将信号传输进示波器6，示波器的采样频率为f_S，f_S为0.5-5GHz，采样点数为N_s，N_s的取值范围为10000-100000点；经过示波器的低通滤波后，通过GPIB总线7存储进PXI总控制系统8。

步骤4换能器散焦测量。

将换能器垂直向下移动一个距离Δz₀，Δz₀的取值范围为1-50μm，待移动完成后进行数据采集，采样频率为f_S，采样点数为N_s；采集结束后再将换能器垂直向下移动Δz₀进行数据采集，如此循环往复，共移动距离z，z的取值范围为2-20mm，因此将得到M组电压数据，M由z与Δz₀共同决定，为40-20000组。

步骤5散焦数据时域傅里叶变换。

将所有数据沿散焦距离排列好，对测得的数据进行时域傅里叶变换：

其中：A_i为时域傅里叶变换后的频谱值，x_i代表一组电压数据，i＝0,1,2…M-1，k＝0,1,2…N_s-1，j代表虚部。

步骤6时域傅里叶变换后数据空间傅里叶变换。