碳纤维复合材料手动超声成像检测技术的研究

本文较详细地介绍了手动超声成像检测技术及其在复台材料制件中的应用，包括先进的ＣＣＤ视频图像定位技术、缺陷模式识别、模糊聚类及其应用。     

C/SiC复合材料空气耦合超声检测数值模拟

针对高孔隙率C/SiC复合材料空气耦合超声检测,引入考虑孔隙形貌的随机孔隙模型开展数值模拟研究。结合力学和声学性能测试计算材料弹性刚度矩阵,借助组织分析建立考虑孔隙微观形貌、孔隙率分别为5%、10%、15%的随机孔隙有限元模型,研究了空气耦合超声透射法检测过程中超声波传播特征及典型缺陷的响应规律。结果表明:材料纵波声速约2830 m/s,横观各向同性五个独立弹性常数分别为158.149、88.589、34.141、15.288和13.793 GPa。孔隙呈长条状,随孔隙率增加,超声衰减逐渐增大;孔隙尺寸与波长的比值约在0.05~0.22范围,主要为瑞利散射机制。高孔隙率、复杂孔隙形貌显著影响超声波的传播过程,导致个别条件下声场指向性发生偏转,影响缺陷检测。当分层缺陷长度由0增加到25 mm时,接收信号幅值衰减增大,与无分层模型相比最大衰减增加33.9 dB。随着复合材料层板厚度的增加,超声衰减进一步增强,声场也将产生一定偏转,主要体现孔隙和分层的共同作用。计算结果与实验吻合较好,为高孔隙率C/SiC复合材料的高质量无损检测提供支撑。      

基于空气耦合超声导波法对开闭器水层厚度的研究

针对传统接触式超声检测高压电线杆开闭器水层厚度存在漏电风险问题,提出使用非接触式空气耦合超声导波技术对开闭器中水层厚度进行测量。对开闭器水中导波传播过程进行仿真并计算水层厚度;搭建开闭器实验室平台,控制水层厚度,改变换能器之间距离,对回波信号进行分析并计算水层厚度;控制换能器之间距离,改变水层厚度,对回波信号进行分析并计算水层厚度。通过仿真与实验使用几何声学对水层厚度进行计算得出关系式,将仿真与实验两者结果进行对比,有高度一致性,验证空气耦合超声导波法对开闭器中水层厚度测量的可行性与准确性。该方法可为测量开闭器中水层厚度提供新思路。     

相关算法软包装热封缺陷空气耦合超声检测

为实现软包装热封缺陷的在线无损检测,将空气耦合超声检测技术应用于软包装热封缺陷检测。采用中心频率为1MHz、焦点直径约1mm的点聚焦空气耦合超声探头,并分别采用包络积分算法和相关算法对带有0.5~1.5mm泄漏通道型缺陷的热封封口进行面扫描成像。实验结果表明该方法可实现软包装热封泄漏缺陷的非接触成像。将带通滤波后的超声信号包络与标准信号包络相关性系数作为成像特征量,可有效消除空气耦合超声的透射能量波动噪声。相对于包络积分算法,相关算法可显著提升图像信噪比以及小尺寸缺陷检出能力。     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料.通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果.利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价.通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌...     

基于超声导波检测管道缺陷的数值模拟

为了研究扭转模态在不同形状管道中的传播特性和缺陷的检测能力,建立了带有缺陷的管道有限元模型,利用有限元软件ABAQUS对T(0, 1)模态导波在直管、弯管中的传播过程进行数值模拟研究。导波信号采用汉宁窗调制的正弦信号,激励T(0, 1)模态信号。结果表明:最低阶的扭转模态适合于管道的缺陷检测;50 kHz的T(0, 1)模态导波对直管、弯管上的缺陷敏感,在缺陷对应的位置上,导波的回波幅值最大,能量也较集中。     

碳纤维复合材料破坏的超声波检测

本文对碳纤维增强复合材料O°、±45°和0°/90°铺层的无缺口、有直边缺口、有中心圆孔和有中心缺口层板,作了静态拉伸试验研究。采用超声波扫描成象检测方法,检测了碳/环氧复合材料在不同加载区域内的损伤分布及损伤程度,得到了载荷—损伤程度曲线和材料内部缺陷分布的分层图象。结果表明:带有垂直于载荷方向直边缺口的试件在受静态拉伸时,裂缝不是沿缺口长度方向作自相似扩展,而是沿纤维方向的界面扩展,缺口基本上不影响试件无缺口部分的承载能力;对于带中心缺口的试件,首先出现缺口尖端的界面分离;带中心圆孔的试件,损伤从孔周开始,逐渐沿纤维方向扩展。本文还分析了试件的损伤和破坏机理。     

基于超声导波技术对钢杆表面缺陷的无损检测研究

研究了圆柱钢杆内导波的传播及其频散特性。通过实验验证了杆中“直达纵波”这一现象并对其进行了分析,同时利用所建立的实验系统,对2320mm长圆柱钢杆表面的人工缺陷进行了检测。结果表明,在特定频率处,选择L(0,1)模态的超声导波检测钢杆中的缺陷是可行的。     

碳纤维/树脂基复合材料薄板的超声波检测

针对碳纤维/树脂基复合材料层压板在航空航天运用中的实际特点,分析了碳纤维/树脂基复合材料层压板的缺陷特征,选择纵波垂直反射法作为检测手段,提出了调整探头晶片后面阻尼块的阻尼系数和在探头前面增加软性透射膜水囊结构等改进超声探头的方法,有效地提高探测信号可识别性和减小探测盲区,有利于用反射信号的相位特征及形状来对缺陷进行定性分析.试验表明,改进后的纵波垂直反射法方便实用,操作性强,能有效地对碳纤维/树脂基复合材料层压板进行缺陷检测.     

基于纵向超声导波管道非通透缺陷检测研究

管道经过长期服役后,由于磨损、腐蚀和意外损伤等原因,对管道正常运行产生危害。在实际工况中,小的腐蚀缺陷容易发展成腐蚀穿孔,浅层的小裂纹容易发展成穿透型裂纹,因此探究如何有效检测管道小宽度非通透缺陷是很有必要的。利用ANSYS有限元仿真软件模拟纵向模态导波对管道的周向和斜向非通透缺陷的检测,得到了周向非通透缺陷的反射系数曲线,并证实时间反转法可以显著提高导波对非通透斜裂纹的检测能力。还针对空管和充水管非通透斜裂纹的定位问题进行了研究,结果表明利用时间反转法可以得到缺陷较为精确的周向与轴向位置及大致形状。     

碳纤维复合材料孔隙率超声衰减测试研究

探讨和分析了碳纤维复合材料孔隙率检测的各种方法以及理论方面的研究,指出材料内部孔隙形状与孔隙含量存在着相关性,孔隙含量超声衰减测量应考虑孔隙形貌因素,超声波频率因素对超声衰减孔隙含量测量存在着影响,不同频率超声波影响着超声衰减孔隙含量计算公式的具体形式,复合材料孔隙率检测的难点在于破坏性实验及孔隙特性不能与实测中超声信号充分点点对应,不能有效充分考虑孔隙特性,提出了一种基于孔隙特征的多分段拟合孔隙率超声衰减测试方法,并以一简单例子对多分段拟合结果进行了分析.     

基于干耦合横波超声换能器的钢丝长度检测及缺陷定位

在特定工况下会出现无法将超声换能器放置在杆状构件底面完成常规检测的问题,如服役桥梁的平行钢丝构件、装配式建筑中灌浆套筒内的插入钢筋。为了提高超声导波技术的适用性,提出了将频率为50 kHz的自发自收式干耦合横波超声换能器置于杆状钢丝侧面进行长度检测及缺陷定位的方法。结合理论分析、仿真模拟和试验验证开展研究,结果表明：干耦合横波超声换能器的最优激发角度为90°,即激发方向垂直钢丝轴向;对于不同长度和不同缺陷位置的钢丝,长度检测和缺陷定位的仿真及试验结果的预测相对误差均小于2%。     

碳纤维复合材料分布孔隙率的超声衰减检测方法

文中提出一种基于理论建模与实验标定的碳纤维复合材料孔隙率超声衰减检测方法.此方法对包含超声波频率、树脂、碳纤维、按尺寸分布孔隙等的多种衰减影响作用在内的理论模型进行分析简化,而建立起检测模型,较好地解决了前人的理论模型与检测结果不一致问题,并使其方法本身具有适用意义.对相应导出的检测关系式通过破坏性实验标定,保证了本方法检测结果的可靠性.给出了一种标定检测关系式的实验方法,并对其精度进行了分析.通过实验分析,对所提出的方法进行了示例性实现,以表明此方法的可行性.     

不同厚度碳纤维布/环氧树脂复合材料孔隙率超声衰减模型

复合材料中孔隙的存在造成了材料性能的下降,因此,对材料孔隙的检测至关重要。本文利用异丙醇(IPA)添加量的不同,制备了不同层数、不同孔隙率含量的碳纤维(CF)布/环氧树脂层合板试件。采用脉冲反射法测试计算了CF布/环氧树脂层合板试件的超声衰减系数,通过金相显微分析对孔隙的分布、形状及尺寸进行了表征,运用MATLAB对金相显微图进行分析得到试件的孔隙率。讨论了孔隙率对材料的声速、声阻抗及超声衰减系数的影响规律,利用4组不同层数样本试件的孔隙率和超声衰减量的试验数据,给出了基于模型的孔隙率与材料层数、超声衰减量的拟合公式。结果表明,随着IPA添加量的增加, CF布/环氧树脂层合板(2 mm)孔隙率从1.09%增加到4.16%,材料的声速和声阻抗均下降,超声衰减系数从2.51 dB/mm增大到5.34 dB/mm。孔隙率为1%时,厚度从2 mm (8层)增加到5 mm(20层),衰减系数增大了0.54 dB/mm。     

基于物联网和超声导波的管道检测系统研究

针对当前城市管道检测系统实际应用时复杂的人工操作问题和管道工作环境信息的分析预警功能缺失问题,设计开发一套基于物联网和超声导波的城市管道检测系统。该系统将物联网、超声导波检测、信号处理等技术相融合,通过无线网络将数据传到云端数据处理中心并由数据处理中心分析管道检测信息,实现管道缺陷检测、环境信息采集以及预警等功能。实验仿真表明:该系统的缺陷定位精度达到了(能够满足)城市管道检测的要求,在减少人工操作的同时,能有效提供预警功能。     

超声导波在管材中的传播特性

文中简要地介绍了近年来超声导波在管中的研究现状,并对导波在管中的传播特性以及管材内径与壁厚之比变化时,对导波频散特性的影响进行了分析。结果表明：管材的内径与壁厚比变化时将对管中导波的模式行为产生很大的影响。当内径与壁厚之比很大时,圆管中波的模式行为与同厚度板中波的模式行为基本相同,可看作板材中的导波进行近似的分析。     

含孔隙碳纤维复合材料的超声衰减模型

从碳纤维复合材料孔隙率的超声脉冲检测原理出发,在假设其它缺陷的影响已在定性分析中排除、或以当量及修正的方式引入的前提下,对于根据孔隙直径适当给定的检测频率,建立材料的超声衰减模型,并导出超声衰减系数与材料和孔隙缺陷的主要参数之间的理论与统计关系,为建立新的检测方法提供理论支撑,改变现有检测方法的检测结果与理论模型的不一致现象.其中作为中间结果之一所建立的碳纤维声衰减模型及相应导出的声衰减系数与碳纤维含量和碳纤维半径之间的关系,不仅可服务于本文的直接应用目标,而且对于基于超声衰减原理的纤维增强复合材料无损检测的其它方面也具意义.作为中间结果之二所建立的分布孔隙率超声衰减模型,考虑到材料中的孔隙按其半径分布,而不同半径范围的孔隙表现出相异的声衰减特性这一实际情况,在由单一半径孔隙率声衰减模型导出的理论关系中引入了孔隙率与孔隙半径相关关系的统计特征,由此给出了更符合材料实际情况的修正模型和求解关系式.     

高阶纵向超声导波在钢绞线缺陷检测中的应用研究

为了实现对钢绞线的主动健康监测,采用安装在结构外表面上的磁致伸缩传感器激励和接收高阶纵向超声导波,优化各种参数以用于缺陷的识别和评估.实验选取经Hanning窗调制的正弦脉冲信号在7芯钢绞线中激励中心频率0.86MHz的高阶纵向超声导波L(0,2)模态,用于在两根钢绞线外围钢丝和中心钢丝中人工缺陷的检测.实验分析了L(...     

利用Lyapunov指数实现超声导波检测的实验研究

利用杜芬方程Lyapunov指数提出了一种敏感的超声导波识别方法,并通过对钢管中导波信号的检测验证了该方法的有效性。首先,对比了输入Hanning窗调制导波信号与纯噪声信号对系统Lyapunov指数的不同影响,给出了利用Lyapunov指数识别弱超声导波信号的基本原理,并确定了检测系统参数。然后,利用压电传感器在3 m长的钢管中激发和接受超声导波,并将实测导波信号输入杜芬检测系统。研究结果表明,Lyapunov指数可以有效地识别出回波信号中是否存在导波信号,而对于噪声信号Lyapunov指数表现出一定的免疫力,该方法有助于提高管道微缺陷识别的灵敏度。同时,利用输入含噪声的实测导波信号与输入实测纯噪声信号后的两个最大Lyapunov指数之比定义损伤指标,当缺陷在一定范围之内时,该指标具有单调递减性,可用于评估缺陷大小。应用本方法,可有效地提高导波检测的灵敏度。