一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法与流程
本发明涉及超声无损探测领域，更为具体的，涉及一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法。
背景技术：
1、金属基复合材料是以金属或合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料，具有高强度、高模量、耐高温等优点，是令人注目的航空航天用高温材料。材料结构内部温度变化特性对于结构的热安全评估来讲十分重要，超声波测温可以对材料结构内部的温度场做到无损、在线测量。
2、传统的超声测温方法只适用于均质材料（纯金属、不锈钢等）的内部温度场测量，需要直接提供均质材料的导热系数、密度、比热等参数，而对于非均质的金属基复合材料，因其由多种金属和非金属材料共同构成，且内部材料成分及结构复杂，无法直接提供其相关的物性参数，因此无法使用传统方法实现其内部的温度测量。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，通过将非均质材料的材料参数进行等效均匀化处理，结合基于超声波渡越声时的温度场重建方法，实现金属基复合材料内部温度场的测量重建，克服了传统复合材料因材料组分结构多样给温度场测量带来的复杂问题，测量结果精度较好，适用于多种金属基复合材料的超声测温。
2、本发明的目的是通过以下方案实现的：
3、一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，包括以下步骤：
4、在金属基复合材料结构表面激发超声波，检测其回波信号的特征；
5、如果回波信号具有第一回波和第二回波的特征，则首先采用等效均匀化的处理方法将非均质材料均质化，再利用超声测量渡越声时测量所述金属基复合材料的内部温度场；如果回波信号不具有第一回波和第二回波的特征，则结束。
6、进一步地，所述采用等效均匀化的处理方法将非均质材料均质化，再利用超声测量渡越声时测量所述金属基复合材料的内部温度场，具体包括子步骤：
7、步骤s1，物性参数的等效：金属基复合材料由基体和增强颗粒两部分组成，分别已知基体材料和增强相材料的热物性参数随温度的变化情况、力学参数随温度的变化情况，以及基体和增强相材料在整个材料中的分别占比，采用等效均匀化的方式得到复合材料整体的热物性参数和力学参数：
8、（1）
9、其中，基体材料的各项参数为，所占体积为，增强相材料的各项参数为，所占体积为，为总体积，最终等效得到的各项参数为；
10、根据超声波波速与其材料参数的关系：
11、(2)
12、(3)
13、其中，纵波波速为，横波波速为，e为弹性模量， ρ为等效均匀化以后得到的材料密度，为材料泊松比；
14、结合各材料参数与温度的关系，分别拟合出超声波在基体材料、增强相材料以及等效均匀化以后三种情况下的超声波传播速度与温度的关系；
15、步骤s2，超声波测温流程：构建一维传热条件下的超声测温数理模型：材料结构一端为加热边界，另一端为绝热端，超声探头在绝热端激发超声波并接收回波信息，采用脉冲回波法进行测量时，非均匀温度分布状态下，超声波在固体中的传播时间，即渡越声时通过式(4)求得：
16、(4)
17、其中， l作为材料厚度，一维传热条件下，结构内部各点的温度分布状态仅为 x的函数， x为结构内部各点距离加热端的距离； v(t)表示超声波在固体介质中的传播速度，和固体介质的内部温度和物性参数因素相关，在一定的温度范围内，表示为和温度的线性关系：
18、(5)
19、其中，a，b为常数，通过标定实验或理论拟合得到，t为节点温度；
20、对于一维热传导问题而言，将其控制方程表达为：
21、(6)
22、其中， k，， ρ分别为等效均匀化以后得到的材料导热率、比热和材料密度，t表示时间；
23、边界条件：
24、(7)
25、其中，为加热边界，为待测量；
26、初始条件：
27、(8)
28、其中，材料厚度 l和初始温度已知；
29、在结构内部温度场测量方面，将其转化为反演热边界的优化问题，优化目标则是实测的超声波传播时间与数值计算所得的传播时间两者差值最小，构造如下的目标函数：
30、(9)
31、其中，代表实际测量得到的超声波声时数据，代表计算得到的超声波声时数据， m代表总测量点数， j代表目标函数，代表迭代收敛准则；结合(1)-(9)式和超声波速与温度的关系反演出等效的加热边界，最后再通过求解热传导正问题得到结构内部的一维温度分布。
32、进一步地，所述热物性参数包括导热系数、比热和密度。
33、进一步地，所述力学参数包括弹性模量、泊松比。
34、进一步地，所述渡越声时具体为超声波第一回波信号与第二回波信号的回波时间差值。
35、进一步地，所述材料厚度具体为超声波沿厚度方向的单向传播距离。
36、进一步地，所述金属基复合材料包括tawnbc复合材料。
37、进一步地，所述tawnbc复合材料中基体为taw，增强材料为nbc。
38、进一步地，nbc颗粒直径为0.06mm。
39、进一步地，nbc颗粒均匀分布在设置的区域内。
40、本发明的有益效果包括：
41、本方法采用等效均匀化的处理方法，使得金属基复合材料也可以基于超声波传播时间（渡越声时）实现对其内部温度场的测量，克服了传统复合材料因材料组分结构多样给温度场测量带来的复杂问题，方法测量结果精度较好，适用于多种金属基复合材料的超声测温。
技术特征：
1.一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述采用等效均匀化的处理方法将非均质材料均质化，再利用超声测量渡越声时测量所述金属基复合材料的内部温度场，具体包括子步骤：
3.根据权利要求2所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述热物性参数包括导热系数、比热和密度。
4.根据权利要求2所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述力学参数包括弹性模量、泊松比。
5.根据权利要求2所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述渡越声时具体为超声波第一回波信号与第二回波信号的回波时间差值。
6.根据权利要求2所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述材料厚度具体为超声波沿厚度方向的单向传播距离。
7.根据权利要求2所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述金属基复合材料包括tawnbc复合材料。
8.根据权利要求7所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述tawnbc复合材料中基体为taw，增强材料为nbc。
9.根据权利要求8所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，nbc颗粒直径为0.06mm。
10.根据权利要求8所述的金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，其特征在于，nbc颗粒均匀分布在设置的区域内。
技术总结
本发明公开了一种金属基复合材料结构内部温度场的超声测量方法，属于超声无损探测领域，包括步骤：在金属基复合材料结构表面激发超声波，检测其回波信号的特征；如果回波信号具有第一回波和第二回波的特征，则首先采用等效均匀化的处理方法将非均质材料均质化，再利用超声测量渡越声时测量所述金属基复合材料的内部温度场；如果回波信号不具有第一回波和第二回波的特征，则结束。本发明克服了传统复合材料因材料组分结构多样带来的复杂问题，测量结果精度较好，适用于多种金属基复合材料的超声测温。
技术研发人员：崔悦,魏东,刘深深,邱芷葳,向静,杜雁霞,桂业伟
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5