CFRP复杂几何结构超声表面契合法缺陷检测

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics，CFRP)复杂几何结构(即R区)的声传播规律复杂，缺陷检测困难。为提高相控阵超声线性阵列探头的检测能力，以热压固化制备的T700/环氧树脂T形长桁为研究对象，从有限元建模与验证、水程优选与缺陷成像、面积型缺陷定量与覆盖范围三个方面研究了超声表面契合法(Surface adaptive ultrasonic，SAUL)检测的关键技术。结果表明：模拟和试验中分层缺陷均能有效识别，但试样两侧肋板表面和层间界面反射回波过强，成像噪声大，定量困难；对检测中水程进行优选后，两侧肋板反射回波基本消失，缺陷成像完整清晰，成像质量明显提升。在此基础上提出了R区面积型缺陷尺寸的定量方法及检测覆盖范围计算方法，实现了R区深度 1.5 mm、周向长度 4.5 mm分层缺陷的定量检测，深度定量误差6.7%，周向长度定量误差4.4%，满足工程需求。研究结果将为复合材料缺陷精准检测提供支持。     

复合材料冲击损伤高分辨率超声成像检测与损伤行为分析

冲击损伤是复合材料结构易产生的一种危害性缺陷,针对碳纤维复合材料层压结构特点,分析脉冲超声波在复合材料中的反射特性,当能减小入射声波脉冲的时域占宽,提高其品质,可显著改善超声检测表面盲区和纵向分辨率。利用入射声波在冲击损伤区形成的反射信号及其渡越时间可确定冲击损伤的深度和大小。研究采用高分辨率脉冲超声B扫描和层深C扫描(T扫描)成像方法,可揭示复合材料内部冲击损伤及其大小与沿厚度方向的分布特征,进行复合材料冲击损伤量化评估与损伤行为可视化分析。试验结果表明,在入射脉冲单周脉冲特性条件下,当来自复合材料缺陷的回波信号的渡越时间达到入射声波脉冲时域占宽的一半左右时,即可清晰地提取到时域可分辨的缺陷回波信号,使超声检测表面盲区和纵向分辨率达到单个复合材料预浸料铺层的厚度,约0.13 mm。利用超声断面B扫描成像,可以形象地再现复合材料中冲击损伤的断面分布与扩展情况以及损伤的深度等确切信息。采用超声T扫描成像,则可以直观地再现冲击损伤在复合材料铺层方向的分布及其损伤区域(面积)等定量信息。二者的结合则为揭示复合材料冲击损伤的3D分布及其特征提供一种超声成像检测量化评估和损伤行为可视化分析方法。     

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。     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三 维成像方法。 使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图 像数据。 利用均匀三次 B 样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生 成超声点云集。 最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。 实验结果表明,本 文方法的缺陷成像结果与 CT 检测结果的平均误差为 1. 14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材 料曲面样件内部缺陷的精确表征。     

复合材料结构中R区的超声波反射行为及其检测应用

复合材料已成为现代飞机制造的非常重要的选材,复合材料结构R区缺陷会影响其受力和传载。R区开敞性差、声波反射复杂等影响超声检测及其缺陷识别与定量评估。为此,基于超声波在R-区的反射行为,利用宽带窄脉冲超声反射回波时域特征和成像特征进行复合材料结构R区缺陷检测与量化评估及层深定位。计算结果表明,入射角小于3°时,可以获得较好的声波透射效果。试验结果表明,入射声波在R区蒙皮表面、底面、层间、分层形成的反射信号具有明显不同的时域特征和B-扫描图像特征,对于12个铺层的R-区蒙皮,不同深度分层波幅变化不超过2.5 d B;分层深度定位准确性达1个铺层内;采用水膜方法可以获得稳定的超声耦合效果;利用所使用的换能器及检测系统的超声B-扫描成像,可以直观地再现入射声波在复合材料R区的反射行为,有效地揭示R区分层缺陷深度分布、取向长度;检测分辨率和表面检测盲区可以达到单个复合材料铺层的厚度,约0.125 mm。解剖结果验证了实际超声检测结果的正确性。为复合材料结构R区提供了一种非常有效的检测技术和缺陷定性定量方法,已经得到了非常重要的实际检测应用。     

复合粘接结构脱粘缺陷全聚焦成像模拟及算法优化研究

针对材料声学参数差异较大的复合粘接结构脱粘缺陷检测困难的问题,研究了复合粘接结构的检测原理及难点,分析了脱粘尺寸对回波幅值的影响,提出了将全聚焦算法应用于复合粘接结构的成像检测方法。分别建立了复合粘接结构的常规PA成像检测和全聚焦算法成像检测的有限元检测模型,提出了基于指向性理论的分序列局部全聚焦加速算法,通过设定角度阈值筛选有效阵元序列来提高计算效率。研究结果表明:对于复合粘接结构脱粘缺陷的检测,全聚焦算法成像检测相对常规PA成像检测具有更高的检测精度;应用加速算法后,对于32阵元的相控阵探头,[-4 mm,4 mm]和[4 mm,8 mm]之间矩形目标区域的全聚焦成像检测,计算量降低了34.7%,且未降低成像质量。     

超声全聚焦成像校正模型及加速算法

超声全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的成像技术,具有成像精度高、缺陷表征能力强的优点,但也存在数据量大、计算时间长、近表面区域噪声较大的缺点,目前主要应用于后处理成像。针对以上问题,建立了基于阵元指向性函数的成像校正模型;结合并行计算设备,提出了基于三角矩阵数据采集和索引技术的成像加速算法。使用16阵元相控阵探头对带有人工通孔的铝制试块进行检测试验,结果表明,使用加速算法可以将每帧图像成像时间缩短至135 ms以内,满足实时成像的要求;添加校正模型后,对于图像近表面区域噪声抑制效果明显,降低了伪缺陷出现的可能性,提高了图像信噪比。     

基于超声复解析信号的碳纤维层压复合材料检测方法研究

采用超声波检测碳纤维层压复合材料时，换能器将接收到层间产生的反射信号。为了有效利用层间反射信号表征碳纤维层压复合材料内部树脂及纤维铺层的几何状态，开展基于超声复解析信号的检测方法研究。介绍超声复解析信号的基本理论，阐述其相对原始A型信号的优势；定义用于成像的复解析信号表征参量，设计基于表征参量的检测成像算法，采用简化声学模型分析碳纤维层压复合材料微观结构超声响应对表征参量的影响；针对包含冲击损伤的碳纤维增强复合材料层压板开展阵列超声检测试验，试验结果表明基于超声复解析信号的检测成像方法可清晰观测出碳纤维层压复合材料微观结构内部的纤维铺层几何形态，基于原始A型信号的检测成像方法无法有效观测，超声复解析信号具有用于表征评价复合材料脱层、褶皱等缺陷的巨大潜力。     

超声成像自动检测系统开发

采用常规超声检测工件时,检测效率低,无法得到直观的检测结果。为了提高超声检测的检测速度、检测适用范围及灵活性,采用电子扫描、动态闸门、信号去噪及成像算法,结合三轴机械扫描架,研制了超声成像自动检测软硬件系统。采用双晶探头对4 mm厚的碳纤维复合材料试样内分层孔缺陷进行了检测扫查试验,对检测系统的性能进行了初步验证。通过对-6 dB法成像矩阵数据进行双线性插值法的方式,对碳纤维复合材料分层孔缺陷进行定量分析,孔缺陷面积定量误差降低了6%～7%,直径定量误差降低了3%～4%,有效提高了缺陷定量精度。试验结果表明所研制的系统能够实现对试件内缺陷信号特征提取及成像,满足检测的要求。     

基于空耦超声共振法的复合材料测厚技术研究

为解决当前传统超声检测技术对复合材料的检测耦合剂污染和检测效率低等问题,提出空气耦合超声共振法来检测复合材料薄板的厚度,从而确定缺陷的大小。利用 COMSOL 有限元仿真软件对复合材料进行建模,设置不同厚度及不同大小缺陷的物理模型来对比实验,后处理求解并进行快速傅里叶变换,提取谐振频率计算出复合材料的厚度。结果表明,超声共振法可对复合材料进行定性、定量检测;当复合材料的厚度越薄时,超声信号产生的谐振频率越大,则复合材料中所含缺陷范围越广,分层现象越严重;其检测精度可达 0.1 mm 左右,相对误差范围分布在 5% 以下。实验证明了该测厚技术的可靠性,为超薄复合材料板缺陷厚度的测量提供一定的参考和借鉴。     

基于EBSD技术构建弹性各向异性粗晶材料超声仿真模型的研究

针对弹性各向异性粗晶材料晶粒结构和取向定量描述困难,导致超声检测仿真结果与试验符合程度较差的问题,提出基于电子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction,EBSD)技术确定晶粒形态及晶体取向的建模思路。利用EBSD技术实测得到了尺寸为96 mm×12 mm的离心铸造奥氏体不锈钢(Centrifugally cast austenitic stainless steel,CCASS)轴-径向截面的晶体取向图谱,选择15°取向相(差)角定义EBSD图谱的晶粒结构,并对晶体取向进行归一化处理。在此基础上借助Bond变换法赋以晶粒在对应晶体取向下的刚度矩阵,对模型中晶粒的弹性特征进行量化表征,建立CCASS超声检测模型。采用时域有限差分法进行数值计算,结果表明:利用该方法能够较好地重现CCASS超声检测特有的结构噪声和主频降低等现象,为揭示超声波在弹性各向异性粗晶结构中的散射机理提供了解决思路。     

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。     

蜂窝复合材料超声辅助切割工具设计

在蜂窝复合材料超声辅助切割系统设计中,针对大变幅系数超声变幅杆的设计及其与加工工具配合的问题,基于“代替法”,结合有限元评估技术,建立了超声变幅杆和加工刀具的连接结构设计方法。首先,基于超声辅助加工原理,设计了具有大变幅能力的阶梯-悬链型复合变幅杆。然后,基于“代替法”,研究变幅杆长度减小对变幅杆声学性能的影响规律。进而,基于有限元仿真技术,研究装配后声学系统的声学性能。最后,采用设计的超声辅助切割系统对蜂窝材料进行切割加工实验研究,发现切割面无毛刺,加工过程无粉尘产生,从而验证了设计的超声辅助切割声学系统的有效性。     

基于面内复合模态的直线超声电机振子有限元分析

提出了一种新型的矩形压电复合板直线超声电机,它除了具有直线超声电机的共同特点之外,还具有自身的薄、小、轻、驱动力大等突出特点,可直接用于计算机硬盘磁头驱动等外设装置。该矩形压电复合板直线超声电机利用矩形压电复合振子平面内的两种弯、弯振动模态合成。在一定预紧力作用下,矩形板的两侧边将产生驱动力使动子移动。本文通过ANSYS有限元分析软件对矩形压电复合振子进行了详尽的模态分析,分析讨论了结构参数及弹性体材料对于矩形压电复合层板模态的影响,为利用面内复合模态的矩形压电复合板直线超声电机的设计奠定了基础。     

A Parametric Study of Beam Steering for Ultrasonic Linear Phased Array Transducer

All the parameters of a linear phased array may affect the performance and cost of the ultrasonic inspection system. The characteristic of the acoustic field for an array transducer is the most important factor whether the echo information of the inspected area in a specimen can be obtained and utilized effectively, and it is the main basis of designing a phased array. A mathematical model was presented to simulate the characteristic of an acoustic field radiated from an ultrasonic linear phased array on the basis of Huygens' principle. Based on the model, the beam directivity function can be obtained, and the effects of inter-element spacing, number of elements, element width, and transducer center frequency on beam directivity and steerability in a linear phased array transducer are systematically discussed.     

基于自回归谱外推的全聚焦成像分辨力提升

针对相邻缺陷全聚焦超声成像混叠问题，结合低阶、宽有效频带自回归谱外推方法，压缩超声波时域脉冲宽度，实现亚波长级全聚焦（Total focusing method，TFM）成像分辨力。建立碳钢试块模型，设置两个中心间距1.8 mm，直径1.3 mm圆孔，选用中心频率2.25 MHz，32阵元相控阵探头采集全矩阵数据。针对全矩阵数据，选择自回归阶数为2，信号频谱最大幅值下降14 dB为有效频带，建立自回归模型并外推有效频带外的高频与低频成分，随后对全矩阵数据进行延迟叠加处理和TFM成像。仿真结果表明，低阶、宽有效频带自回归谱外推处理方法具有较高的鲁棒性和准确性，TFM成像后可有效分离中心间距0.7λ（λ为超声波长）圆孔，保留缺陷横向位置信息的同时，定位误差不超过0.73%。对碳钢试块中相同位置及尺寸的圆孔进行试验验证，定位误差不超过1.06%，有效地提高TFM成像分辨力。