复合材料型超声直线电机的研究

本文提出了一种利用复合材料CFRP(CarbonFiberReinforcedPlastics)的新型超声直线电机。这种电机基于纤维单向排列时CFRP的正交各向异性特点,利用压电振子激励CFRP产生倾斜振动,通过导轨表面的反作用力推动电机移动,结构简单,易于制造。文中阐述了这种电机的结构、工作原理、动力学方程、固有频率计算公式以及电机的特性曲线     

高强钢/碳纤维增强复合材料热冲压-连接一体化工艺可行性及试样弯曲性能研究

提出一种高强钢/碳纤维增强复合材料(CFRP)的多材料零件连接成形一体化加工工艺,利用热冲压工艺对高强钢和CFRP预浸料进行连接并成形高强钢/CFRP多材料零件。研究热冲压过程中不同的淬火温度下多材料复合板的制备工艺,并对试样中钢板进行微观观测,最后对复合件进行弯曲试验。微观检测结果表明,该工艺下钢板组织为全马氏体组织。三点弯曲试验结果表明,未铺设CFRP试样、铺设2层CFRP试样和铺设4层CFRP试样的弯曲角度分别为130°、110°和104°。对弯曲试验的力位移曲线进行积分,计算试样的能量吸收量,得到如下结论：未铺设CFRP试样、铺设2层CFRP试样和铺设4层CFRP试样的能量吸收量分别为9410 J、9692 J和10 050 J;铺设2层CFRP的试样和铺设4层CFRP的试样相比于未铺设CFRP的试样,能量吸收量分别增加2.9%和6.8%。     

液压缸CFRP缸筒结构开发及其强度理论研究

轻量化是液压缸发展的一个重要趋势,而高强度低密度新材料的开发应用是液压缸轻量化的主要方式之一,鉴于此,提出一种金属内衬式碳纤维增强树脂（CFRP）液压缸缸筒。建立了CFRP缸筒的力学模型,在复合材料层合板理论的基础上导出了CFRP缸筒的强度理论。利用ABAQUS有限元软件进行应力分析,并结合强度失效准则进行强度校核,结果显示CFRP缸筒的金属内衬和缠绕层均满足强度要求;同时,CFRP缸筒的重量比纯金属缸筒减轻了45.8%,使液压缸达到了轻量化效果,初步证明了CFRP作为液压缸轻量化材料的可行性。     

超声振动磨削CFRP温度场的有限元仿真

超声振动磨削时的高温易导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的热损伤,为了分析超声振动磨削CFRP过程中的温度问题,借助有限元的方法对声振动磨削CFRP温度场进行了仿真。首先利用半人工热电偶在线测量了磨削温度,通过试验与仿真相结合的方法研究了传入0、45°、90°和135°纤维取向的单向CFRP中的热分配比。随后,根据超声振动磨削各单向CFRP的热分配比,建立了超声振动磨削多向CFRP磨削温度场仿真模型。最后,通过超声振动磨削试验对有限元模型的有效性进行了验证。     

基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

为解决碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)孔隙率超声衰减法检测中,理论值与试验值存在差异的问题,基于随机介质理论,建立CFRP孔隙特征的数学描述方法。该方法利用极值搜索法对椭圆形自相关函数随机介质构造方法进行改造。通过正交试验分析各构造参数对随机孔隙构造结果的影响,并利用CFRP试样的大量孔隙形态及分布统计数据,对自相关长度ab、自相关长度比r0=a/b及分区边长D等参数进行优化,最终构建CFRP随机孔隙模型。研究发现,随机孔隙模型能够反映孔隙的形貌及分布等随机特征,为研究CFRP孔隙对超声波的散射作用提供理论依据。根据此模型计算出的超声衰减系数与孔隙率对应关系与试验结果之间规律一致。表明该随机孔隙模型能够很好地表征CFRP的整体弹性性能及由随机孔隙引起的局部弹性微扰。     

面向功率和制孔质量的CFRP钻削工艺参数多目标优化方法

航空、航天等高端制造领域碳纤维增强复合材料(CFRP)使用比例大幅增长,CFRP构件大规模生产已经展开,虽可降低CFRP成本,但所面临的降耗减排与质量提升等问题也会日渐突出。为提高CFRP构件质量,同时降低加工过程中的能源消耗和碳排放,开展针对CFRP构件钻削工艺加工参数的多目标优化研究。首先,确定以主轴转速、进给速度和复材层铺顺序为优化变量,以钻削过程钻削功率和CFRP构件孔口处分层因子为目标的多目标优化模型;然后,通过全因子实验,利用仪器采集钻削功率和分层因子数据;进而,基于响应曲面法,分析各加工参数对钻削功率和分层因子的影响;最后,再利用多项式拟合和NSGA-Ⅱ算法对多目标模型进行优化求解。研究结果表明：构建的多目标优化模型和提出的优化方法能够获得最优参数组合,优化结果可显著提高加工质量和钻削功率。     

CFRP/钛合金叠层构件制孔孔径分布规律研究

为了研究CFRP/钛合金叠层构件一体化制孔加工后的孔径几何精度变化规律及主要影响因素,在CFRP/钛合金制孔基础上,利用三坐标测量机对孔径几何精度进行检测,并分别对单个孔及系列孔的孔径几何精度进行分析,得到孔径几何精度的变化规律及主要影响因素。结果表明:叠层材料制孔加工过程中材料加工性能的巨大差异,使加工至材料界面时产生的切削振动较大,是影响CFRP与钛合金孔径几何精度的主要因素,且对CFRP孔径影响较大,对钛合金孔径影响较小。     

碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削仿真研究

碳纤维增强复合材料在航空领域常作为结构材料与钛合金组成叠层结构,能在减轻重量的同时利用两种材料的不同特点获得更优异的综合力学性能。本文应用有限元仿真方法模拟了叠层结构CFRP/Ti在CFRP→Ti和Ti→CFRP两种钻削顺序下的制孔过程,探究了不同钻削顺序对叠层结构钻削应力、钻削温度及制孔质量的影响规律。结果表明,在CFRP→Ti钻削顺序下叠层界面制孔质量更高,更能满足实际生产要求。     

基于四电极法的CFRP结构损伤检测研究

碳纤维复合材料(CFRP)被广泛用于航空航天领域,实现其结构健康监测对提高适航审定的损伤容限探测水平、降低检测成本具有重要意义。针对飞机使用的CFRP层压结构材料,利用碳纤维的自传感特点及结构损伤的电学敏感特性,基于四电极法提出3种激励模式下的电阻抗无损检测方法,以实现非侵入、无辐射、低成本的快速无损结构健康监测。利用有限元分析软件COMSOL构建各向异性CFRP层压板模型,通过提取有效电压差与电压灵敏度参数,对比分析不同类型结构损伤检测效果,从而获取适用于CFRP层压板结构损伤检测的最优激励测量模式。综合实验结果表明,双电极激励模式整体表现较优。     

铝蜂窝填充CFRP结构的侧向压缩性能研究

采用准静态侧向压缩试验和有限元仿真相结合的方法,对铝蜂窝填充碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)结构的侧向压缩性能和破坏机理开展了研究。试验发现,在稳定破坏模式下,相对CFRP空管,铝蜂窝填充管件的平均峰值载荷、吸收能量和比吸能率分别提高251.6%,656.3%和400.0%,并且破坏过程也更加稳定。此外,采用Ls-dyna软件对铝蜂窝填充CFRP管件的破坏过程进行了仿真,发现铝蜂窝填充可以有效抵抗管壁变形,并且获得了与试验较吻合的破坏过程和力-位移曲线。研究表明,利用轻质铝蜂窝结构填充CFRP管件,能有效改善CFRP结构的侧向压缩性能和吸能性能。     

A study of ultrasonic vibration cutting of carbon fibre reinforced plastics

In the use of carbon fibre reinforced plastics (CFRP) it is often necessary to cut the components, but cutting CFRP is often made difficult by delamination of the composites and by the short tool life. In this paper, the machinability of CFRP by means of ultrasonic vibration cutting was experimentally investigated. The experimental results have led to a trial application of ultrasonic vibration cutting, which has been verified experimentally to be highly effective in view of cutting force and surface quality.     

厚截面CFRP孔隙超声脉冲反射检测方法

目前对碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastic,简称CFRP)孔隙缺陷超声检测识别的研究主要以薄板型CFRP为对象,针对厚截面CFRP孔隙缺陷检测的需要,提出了基于超声脉冲反射背散射信号处理的孔隙缺陷识别方法。背散射信号特征分析结果表明,背散射信号由材料近表面共振结构噪声、信号指数型衰减成分、孔隙的反射和散射信号以及随机噪声组成。为得到孔隙的反射和散射信号,首先,利用提升小波变换良好的去噪能力除去背散射信号中的随机噪声;其次,设计低通滤波和自适应滤波分别除去信号中的共振结构噪声和衰减成分。对实验信号的处理结果表明,上述处理方法可以有效去除相应信号成分。在此基础上进一步提出了背散射信号幅值C扫描成像方法,将该成像方法应用于厚截面CFRP孔隙缺陷识别,可以有效识别试块中的含孔隙区域。     

Lamb wave propagation on a unidirectional CFRP plate: comparison of FEM simulations,experiments, and analytical calculations

Carbon fiber-reinforced plastics (CFRPs) are widely used in recreational products and industrial components. Ultrasound is a powerful tool to ensure the safety of CFRP structures, but the ultrasonic velocity on CFRP depends on the frequency and direction of propagation. Understanding ultrasonic propagation is the key to its proper application to CFRP structures. In the present work, experiments, 3D FEM simulations, and theoretical analyses were performed to investigate Lamb wave propagation on CFRP plates. The simulation and experimental results agreed well, proving that the FEM simulation results were reliable. On the basis of this reliability, further results were obtained for various fd values. The S0 mode’s group velocity was considerably affected by the propagation direction, but the A0 mode exhibited minimal dependence. In addition, unexpected waves were observed in the simulation and identified as the SH0 mode. A new approach for determining the theoretical group velocity was also presented.

     

厚截面碳纤维复合材料远表面微缺陷超声检测

为了识别厚截面碳纤维复合材料(CFRP)远表面的微缺陷,使用递归分析方法对超声检测信号进行分析。首先在厚截面CFRP材料上打孔以模拟微缺陷,采用水浸超声脉冲反射法对不同大小的模拟缺陷进行检测。然后选取缺陷位置附近信号段,确定嵌入维数m、延迟时间τ、阈值ε等参数,对各信号段进行递归分析,得到递归图及递归定量分析结果。比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归图,从宏观上定性确定微缺陷对超声信号的影响;比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归定量分析结果,根据每个递归定量参数的物理意义,对缺陷产生的影响作出合理的解释。最后,使用不同中心频率探头进行实验,确定合适的探头参数。分析结果表明,使用7.5MHz高分辨率超声探头时检测效果最好;当嵌入维数为7、延迟时间为2、阈值为2时,递归图中出现异常白色区域、递归点增多且对角线结构变长,同时所选取的递归定量参数随缺陷增大而上升,表明厚截面CFRP远表面超声信号可能存在混沌结构,而微缺陷的存在会改变原有信号结构。所研究内容为实际微缺陷的定量识别及分类打下基础。     

飞机紧固孔超声振动精密加工技术研究

针对飞机蒙皮复合材料与钛合金叠层(简称复钛叠层)紧固件大孔传统手工多步制孔加工中存在的工艺路线长、加工质量不高、刀具寿命低等问题,开展了超声精密制孔技术的研究,提出了超声振动套-铰-锪的新工艺方法,并研制了超声振动制孔工具系统。实验结果表明,超声振动套-铰-锪新工艺方法及振动制孔工具系统可以高质、高效、低成本加工复钛叠层紧固件大孔,能满足飞机复钛叠层紧固孔精密装配的工业要求。     

Identification of Localized Void Defects in Composite by Recurrence Quantification Analysis of Ultrasonic Backscattered Signal

Voids usually have a detrimental effect on the performance of carbon fiber reinforced polymer (CFRP). This paper presents a nonlinear dynamic method, known as recurrence quantification analysis (RQA), for the identification of localized void defects. First, five standard CFRP specimens with known porosity ranging from 0.2 to 5.94% are tested using ultrasonic pulse-echo technique, and the obtained backscattered signals are subsequently analyzed by RQA. The result shows that two RQA characteristic parameters, the recurrence rate and the Shannon entropy, both clearly increase with increasing porosity. Next, the RQA is performed on another CFRP specimen with unknown porosity. Two regions in this specimen containing localized void defects are detected based on the above finding. This result is finally verified by a destructive experiment. The research demonstrates that RQA is an effective new method for the identification of localized void defects in CFRP.

     

Lamb Wave Ultrasonic Detection of Barely Visible Impact Damages of CFRP

Russian Journal of Nondestructive Testing - Results of applying a Lamb-wave-based ultrasonic technique to detect impact damages to a CFRP honeycomb panel are presented. The technique is based on...     

机器人辅助激光超声检测系统及参量匹配方法

为解决飞行器复合材料构件的非接触、高精度无损检测问题,提出基于关节型机器人的激光超声检测系统及光声学参量匹配方法。采用有限元方法建立层状复合材料模型,计算分析材料层状各向异性导致激光超声的非对称分布、声束倾斜和畸变特征,结合实验分析得出利用激光超声表征分层的光声学参量匹配方法。在系统设计上,利用1 064 nm波长的Nd:YAG脉冲激光器激励超声波,利用基于光折变效应的双波混合干涉测量系统探测超声信号,激励和探测激光由光纤传导并投射至被检测工件表面,采用精密六轴关节型机器人作为C型扫描装置,建立系统的实验室原型,实现碳/环氧复合材料试样的C型扫描检测,得到试样中模拟缺陷的分布、形状和尺寸特征,验证了检测系统及参量匹配方法的有效性。研究结果表明,研制的机器人辅助激光超声检测系统可以实现碳/环氧复合材料内部直径1 mm以上分层的检测与成像,在飞行器复合材料构件的无损检测方面具有应用前景。     

ROTARY ULTRASONIC MACHINING OF CARBON FIBER-REINFORCED POLYMER: FEASIBILITY STUDY

Carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) has been widely used in aircraft components, automotive parts, and sporting goods. Hole machining is the most frequently employed operation of secondary machining for fiber-reinforced composites. However, challenges (delamination, splintering, burr, short tool life, low machining precision, and low surface quality) still remain for their widespread applications. Rotary ultrasonic machining (RUM) is a non-conventional machining process that has been used to drill holes in composite materials. However, it has not been used to drill this type of CFRP. In this article, RUM is introduced into drilling holes in this type of CFRP for the first time. The feasibility to machine carbon fiber-reinforced epoxy using RUM is investigated experimentally. Chips, edge chipping, surface roughness, tool wear, and thrust force were measured. Effects of RUM process variables (rotation speed, vibration amplitude, and feedrate) on thrust force and surface roughness were studied. Results showed that RUM could be used to drill holes in CFRP with high productivity and low tool wear. A better surface was produced by higher rotation speed and lower feed rate.