非线性超声理论在金属基复合材料结构应力检测中的应用

金属基复合材料结构是金属层与非金属层多层粘接而成的复合结构,非金属层的应力行为主要体现在粘接面上,利用应力一时延模型测量应力,非金属层的深层反射回波信号非常微弱,给各层信号的识别存在极大的困难,不能准确估计时间延迟.文中从非线性超声理论出发,提出运用非线性超声的二次谐波非线性系数进行非金属层应力检测,实验结果表明非线性系数可以表征应力.     

非线性无损检测技术的研究、应用和发展

对材料和结构进行无损检测和评价在其全生命周期中非常重要.超声检测是一种重要方法,但传统线性超声观察时域信号,受波长等因素所限,对于微缺陷、微裂纹以及如粘接、分层等界面缺陷不敏感,同时对于金属疲劳等力学性能退化尚缺乏有效评价手段.近年来,基于超声的非线性效应,如高次谐波及次谐波的产生、波束混叠以及谐振频率的改变等而发展的非线性超声无损检测和评价方法主要从频域分析信号特征,进行缺陷判别,对于克服传统超声的不足具有积极的意义,是传统线性超声检测手段的有效补充.从由不同的声学非线性效应而衍生的检测方法出发,介绍非线性超声无损检测技术的研究和发展现状,总结其中的关键技术和问题,并对未来发展做出思考.     

基于超声透射特性的复合材料粘接结构粘接质量预测

以非接触式超声检测方法为基础,对复合材料粘接结构的粘接质量进行仿真与试验探究。首先,建立复合材料粘接结构的超声透射特性时域仿真模型,提取其频域透射系数谱,并着重分析界面弱化及内聚弱化对粘接结构中超声透射特性的影响规律。同时,仿真所得不同粘接状态的超声透射系数频谱与平面波理论的计算结果吻合良好。此外,制备具有不同粘接界面状态及胶层内聚弱化状态特征的纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer, FRP)粘接结构。基于水浸超声测量系统,试验探究不同粘接界面状态及内聚弱化状态对超声透射系数谱的影响,分析粘接结构中超声透射特性随其粘接质量的变化关系,并与仿真结果一致。此外,根据复合材料粘接结构中粘接质量与超声透射特性之间的映射关系,亦为复合材料粘接结构的无损表征与评价奠定了坚实基础。     

粘接结构的超声检测技术及其进展

粘接结构由于具有优越的性能被广泛应用于多个领域.超声检测方法能够有效地解决粘接界面粘接质量的无损检测.本文结合粘接结构自身的特点,介绍了应用于多层金属-非金属粘接结构的超声检测方法、信号分析方法及相关检测技术进展,并就多层金属-金属粘接界面的超声检测提出一点设想.     

复合结构界面粘接质量的超声衰减法研究

为满足评价复合结构界面粘接质量的需求,研究了界面声压反射率与有机玻璃-钢复合结构界面粘接质量间的关系。采用超声反射法测量了由不同粘接性能胶粘剂制备的粘接试件回波的幅度积分曲线,利用高斯拟合对幅度积分曲线进行特征提取,根据拟合得到的衰减系数表征粘接界面上超声波的反射情况进而表征界面粘接性能。试验结果表明,衰减系数可准确评价复合结构界面的粘接质量。     

基于多分辨率分析的金属基复合材料结构深层缺陷检测

针对金属基复合材料结构中，各层的超声检测回波会严重混叠，难以分辨甚至会丢失深层的缺陷信息的问题，提出了使用db3小波为基函数来进行小波变换和特征提取，结果显示，提取出的特征可有效地进行各层粘接缺陷的检测。实验结果表明，提出的特征提取方法可用在粘接结构的无损检测中。     

复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法

飞机复合材料结构钻孔分层的定位、定量检测是无损检测领域的难点之一,也是航空制造领域亟待解决的安全问题之一,激光超声检测技术是解决该问题的可能途径。试验验证利用激光超声检测复合材料钻孔分层的技术可行性。制备复合材料层压板钻孔试样,研究热弹性条件下脉冲激光在复合材料中产生超声波的宽频带特性,提取出满足检测灵敏度、分辨力要求并具有良好信噪比的超声信号;分析近孔边缘分层界面对声传播规律的影响,得出钻孔边缘分层缺陷的激光超声表征方法;采用脉冲反射法、透射法对复合材料钻孔试样进行激光超声C扫描检测,获得钻孔分层缺陷的形貌、尺寸和位置特征。研究结果表明,激光超声检测技术是解决飞机复合材料结构钻孔分层检测问题的有效手段。     

多层结构复合材料的超声检测系统设计

分析了超声波在多层结构复合材料中的传播特性,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统超声发射系统.该系统由超声波发射系统、接收系统及计算机控制处理系统组成.针对多层结构复合材料层厚及内部缺陷分别进行了计算机仿真和实测实验,并对实验结果进行了比对.结果表明,该检测系统性能达到了设计要求.     

螺栓轴向应力的非线性超声检测技术研究

在工作过程中,螺栓常受到轴向应力的作用,作为最常见的紧固件之一,螺栓的服役质量对于安全生产至关重要。非线性超声技术对材料内部微结构的变化敏感,在检测螺栓轴向应力方面有极大的潜力。根据超声波在各向同性材料内部的传播规律,分析了非线性系数与基波幅值以及高次谐波幅值之间的关系,搭建了非线性超声检测系统。以45钢和304不锈钢材质的螺栓为研究对象,对不同轴向应力下的螺栓进行非线性超声检测,得到非线性系数与螺栓轴向应力之间的关系曲线。结果表明,螺栓的超声非线性系数随轴向应力的增大而单调增加,当轴向应力超过一定值时,非线性系数显著增大,说明非线性系数对应力变化敏感,可以用来表征螺栓的轴向应力。通过对相对非线性系数进行归一化和多项式拟合,得到螺栓轴向应力与归一化相对非线性系数之间的函数关系,然后采用非线性超声和线性体波检测两种方法对电子拉伸试验机施加的螺栓轴向应力进行检测验证试验,200 MPa以上的轴向应力采用非线性超声检测误差在6%以下,明显优于线性超声体波检测,研究结果为服役状况下螺栓的轴向应力检测提供了有效支撑。     

非线性超声检测镁合金疲劳的仿真和试验

为了利用非线性超声检测AZ31镁合金的早期疲劳损伤,通过现有的本构关系建立了非线性超声检测有限元模型,计算了材料疲劳引起的内部微缺陷长度、数量和宽度变化对非线性超声系数的影响.计算结果表明,材料疲劳产生的微缺陷是产生二次谐波的原因,有限元方法可以有效模拟镁合金材料的超声非线性效应.进行了两个镁合金疲劳试件的非线性超声在线检测试验,研究发现,在镁合金疲劳早期,超声非线性系数随疲劳加载周数单调增加,但在疲劳后期出现了超声非线性系数减小的现象.试验结果表明,超声非线性系数对疲劳早期损伤非常敏感,可以用来表征材料的早期疲劳损伤程度,有限元计算结果与试验结果相吻合.     

304不锈钢点蚀损伤的非线性超声表征

利用非线性超声表面波检测技术实现了对304奥氏体不锈钢点蚀损伤的无损表征。将固溶态304奥氏体不锈钢在质量分数为6.0%,10.0%,14.0%的FeCl_3溶液中,分别浸泡6,12,18h。利用OLS4000激光共聚焦显微镜对浸泡试样进行表面形貌的观察、稳态点蚀孔三维形貌以及尺寸的测量,利用RAM-5000测量超声表面波非线性系数,基于蚀孔微观形貌和尺寸变化分析点蚀损伤的非线性系数变化规律。结果表明:归一化非线性系数随超声表面波传播距离的增加而逐渐增大;表面波传播距离一定时,归一化非线性系数随浸泡时间的延长和溶液质量分数的升高而单调递增。超声波与点蚀引起的材料不连续界面相互作用,造成界面间的应力-应变非线性效应,且非线性效应随点蚀损伤的加剧被累积,这一结论对奥氏体不锈钢点蚀研究具有较大的参考价值。     

基于表面波时延估计的金属基复合材料结构金属层应力检测

应力-时延模型是超声应力检测的基础,但对时延的要求极高,一般在纳秒量级。对于某型导弹发动机金属基复合材料来说,直接利用超声回波法进行检测时,传输通道长度极小,时延分辨率要求极高,而且多层叠加信号高度重叠,给时延估计带来极大的困难。由于导弹发动机的金属层较薄,可以认为其应力分布为表面应力。该文采用表面波法进行金属层的应力检测,试验结果是令人满意的。     

基于不同相控聚焦模式的非线性超声阵列成像方法研究

发展一种用于缺陷定位的非线性超声阵列成像方法。研究聚焦声场的时间-空间传播特点以及形成扩散声场的条件,分析并行聚焦和顺序聚焦的扩散声场声动能与非线性效应的关系,提出利用超声阵列在两种聚焦模式下激励带宽内(基波)声动能差值表征的非线性超声成像方法。进一步研究时延及时间窗宽对两种检测模式的扩散声动能及非线性成像的影响,优化出有效的非线性成像参数。结果表明:时延的选择对成像结果影响较大,时间窗宽的选择对成像结果影响较小;在一定时延范围内,均可以形成稳定的扩散声场,在该时延范围内可以较好实现微裂纹检测。利用提出的非线性超声阵列成像方法很好地实现了结构中微裂纹检测及成像。     

Measurement of Attenuation of Ultrasonic Propagating through the Thin Layer Media with Time Delay Spectrum

The ultrasonic attenuation coefficient is one of the most important acoustic parameters to character the performance of a thin layer media, but it can not be measured due to mutual superposition of multiple reflected waves at the same interface in ultrasonic testing. Ultrasonic pulse echo and lamb wave to evaluate the thin layer media can not obtain attenuation coefficient at present. In this paper, analytical method was used to study the acoustics characteristic of thin layer media with the ultrasonic echo testing. Meanwhile, the process of ultrasonic attenuation measurement was presented. Simulation and experimental investigation is focused on a thin layer of rubber. Attenuation coefficient was introduced and evaluation mathematics model was established by the two echoes cross-correlation with and without the thin layer media based on the time delay spectrum. It involved the parameters related to the acoustic properties of the thin layer media. Through calculating the sound velocity and acoustic impedance with the evaluation model, it can deduce the relation between the attenuation coefficient and the frequency. Through analyzing the simulation results, it indicated that the attenuation coefficients were invariable with the varying of the frequency. However, the attenuation coefficients increased with the frequency increasing by ultrasonic testing the thin layer of rubber. The reason was that the attenuation factor was not taken into account during the simulation. This method overcomes shortcomings that the traditional ultrasonic testing can not evaluate the thin layer media whose thickness is less than motivation wavelength. It is a new solution to study the attenuation characteristic and on-line nondestructive evaluation in the thin layer media.     

Influence of Ultrasonic Modified Liners on the Adhesive and Tribological Performances of Self-Lubricating Radial Spherical Plain Bearings

For self-lubricating spherical plain bearings, poor interface bonding strength between the polytetrafluoroethylene (PTFE)/aramid fabric hybrid woven liners and the outer rings can influence the full play of tribological performance of the self-lubricating liner. To solve this problem, the liners were modified by ultrasonic treatment. The adhesive performances of the modified and unmodified liners and the tribological performance of the self-lubricating radial spherical plain bearings with two kinds of liners were tested and compared. Results show that ultrasonic modification can improve the bonding performance of the liners significantly; compared to unmodified liners, the modified liners can decrease the friction coefficient, wear loss, and friction temperature of the bearings, which shows that ultrasonic modification can improve the tribological performance of self-lubricating spherical plain bearings. Bearings with modified liners only produced slight adhesive wear, but bearings with unmodified liners produced moderate adhesive wear and slight abrasive wear during test procedures.     

微纳米级裂纹的非线性超声检测

为了实现对金属材料中微纳米级裂纹的超声检测,建立了非线性超声检测系统,研究了超声波与金属材料中裂纹的相互作用以及超声波的畸变效应.介绍了固体中普遍存在的超声非线性现象;以金属材料中的微纳米级裂纹为例研究了裂纹与超声波相互作用产生的畸变效应;在分析超声波产生畸变的基础上,描述了超声高次谐波振幅的测量方法.最后,以金属材料...     

金属切削中流屑角突变的实验研究

对金属切削中的一类非线性问题－切屑流屑角的突变进行了检测实验研究,得出了流屑角突变时刻的力,振动和声发射信号。多次实验表明,这3种信号中对切削过程的非线性特征以切削力信号最为灵敏。根据传感器突变信号的产生时间,可以计算出突变时的切削层厚度aW和切削层图形系数gs。