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。     

激光增材制造钛合金构件的阵列超声检测方法研究

钛合金激光增材制造技术已经逐步应用于航空航天等领域中复杂构件的直接近成形制造。然而,由于特殊的制造工艺导致的高衰减性和不均匀性使其内部缺陷采用常规超声检测方法检测效率低、成像结果差,为此研究了阵列超声检测方法在增材制造钛合金构件检测中的关键技术。采用激光增材制造方法制备TC18钛合金试样,利用高频水浸超声方法分析其超声衰减特性,提出适用于增材制造钛合金构件的内部回波成像方法。基于线阵换能器全矩阵数据采集的方法分析声波沿试样不同表面入射时声波群速度随角度的变化规律,对增材制造钛合金试样的各向异性进行分析,并基于测量结果对阵列超声成像算法进行校正。分别采用线阵和环阵换能器对试样进行C扫描检测试验,分析影响检测结果的主要因素。研究结果表明,采用环阵换能器结合全聚焦算法能更精确地表征试样的内部缺陷,在增材制造钛合金构件的无损检测中有较好的应用前景。     

碳纤维复合材料孔隙率的超声评价方法研究

孔隙是碳纤维复合材料内部最常见的缺陷之一,空隙的大小及分布对构件的力学性能有重大影响。以热压成型的碳纤维单向增强复合材料为检测对象,利用超声衰减法和非线性超声检测方法对三种孔隙率不同的试样进行对比试验,提取超声检测的特征参量,实现了对碳纤维复合材料孔隙率大小的表征。     

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。     

高温声学检测技术的发展、应用与挑战

以我国航空航天、钢铁冶金、特种设备等领域的高温声学无损检测技术研究与应用为主线,分析了高温声学检测技术在促进先进高温材料制备与研发、钢铁冶金行业绿色低碳生产和产业升级、高温压力管道安全运行与维护等方面的巨大需求。介绍了国内外在高温声学检测的技术方法和仪器研制等方面取得的进展,分析了压电超声、电磁超声、激光超声、激光电磁超声等技术在高温无损检测应用方面存在的优缺点和应用场景,总结了高温声学检测技术面临的机遇与挑战。     

碳纤维复合材料缺陷的超声检测及材料力学性能仿真研究

碳纤维复合材料内部结构的健康程度将直接影响到零部件的整体性能.采用高频超声衰减法对碳纤维复合材料进行内部无损检测.在超声波频率为30 MHz、探头距离工件表面1 cm、等离子水介质条件下,通过超声C扫描、X扫描,分析和确定内部缺陷位置及形状,并通过剖切试样,采用光学显微形貌表征对内部缺陷进行确证.采用ABAQUS对层间...     

SiCp颗粒增强铝基复合材料非共线非线性响应试验观察

采用粉末冶金方法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)受加工过程工艺影响较易出现SiCp颗粒分布不均等缺陷。传统的金相法及声速扫描法检测该缺陷存在破坏试样及定位困难且灵敏度不高等问题;基于谐波的穿透式共线非线性无损检测方法检测灵敏度高,但易受到其他非线性试验来源的干扰。为解决这一问题,利用基于波束混叠的非共线非线性超声检测方法,观察SiCp/Al的非共线非线性响应,探讨使用该方法检测粉末铝基复合材料非均匀性缺陷的可行性;建立非共线非线性超声检测试验系统,发现LY12铝合金及SiCp/Al试样内部的波型转换与波束混叠现象;利用非共线技术的空间可达、波型转换及频率方向可控等性质,成功剔除了非线性的试验来源,从试验上证明该方法能够观测试样内部的非线性,具备检测SiCp/Al试样均匀性的潜力。试验方法与结果为进一步研究非共线混叠波与粉末铝基复合材料均匀性的相关关系及扫查方法奠定基础。     

混凝土超声检测技术的研究与实现

针对混凝土结构无损检测的需要,提出了一种超声激励脉冲产生的方法。由于超声波信号在混凝土中衰减快,为了提高检测系统的探测能力,增强回波信号,提高超声激励脉冲幅值,采用一种高频继电器实现了电磁脉冲源,并通过水和混凝土两种不同介质的无损检测试验验证其可用性。为了实现混凝土结构的高效精细检测,采用波包分解技术对检测数据处理分析,通过合成孔径技术成像,研制了系统样机。不同混凝土结构试块的检测成像试验表明,系统探测深度可达1m,可以较准确成像显示混凝土结构内部嵌入物的位置。     

线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究

为了提高空气耦合超声检测中的信号强度及其信噪比,研究线性调频脉冲压缩技术在空气耦合超声检测中的应用.介绍线性调频脉冲压缩技术的基本原理及其匹配滤波器的设计与实现,分析脉冲压缩参数对空气耦合超声检测结果的影响,试验研究不同激励方式对空气耦合超声换能器接收信号的影响以及脉冲压缩方法对提高信噪比的实际效果,构建空气耦合超声C扫描检测系统,对碳纤维增强复合材料板进行检测试验.研究结果表明:相对于常规脉冲激励方式,连续波激励方式可提高换能器的能量转换效率,激励信号频率特性与换能器频率特性相一致时效果最佳;应用线性调频脉冲压缩方法后,空气耦合超声检测的信噪比有了明显提高,检测效果得到了明显改善.     

基于非线性激光超声的微裂纹检测及定位

金属构件在加工及服役过程中,其表面及内部会产生微裂纹,外载荷作用下,微裂纹会逐渐扩展,成为影响构件安全运行的重大隐患,因而有必要对构件进行无损检测。提出一种基于非线性激光超声的微裂纹检测技术方法,通过提取激光超声波与微裂纹作用后非线性特征参数的改变量进行裂纹检测及定位。利用激光辐照构件激发超声波,根据构件时域动态响应信号重构状态空间,提出一种非线性特征参数提取方法对裂纹影响下状态空间改变量进行评估以识别裂纹,进而利用扫描激光法实现裂纹定位分析。搭建实验系统对铝合金表面不同宽度微裂纹进行检测,结果表明,所提方法能有效检测并定位构件表面微裂纹。     

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.     

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。     

Scanning of the internal structure part with laser ultrasonic in aviation industry

The detection of internal defects is a major production and safety issue for the newest generations of aircraft. New materials and manufacturing processes in the aircraft industry demand efficient quality assurance in manufacturing and inspection in maintenance. Advanced metallic material processes (titanium) are used or developed for the production of heavily loaded flying components (in fan blade construction). The inspection of these parts mainly made out of titanium (or CFRP) requires the determination of the percentage of bonded grain sizes around 10-30?μm. This is primarily due to the advantages of a high signal-to-noise ratio and good detection sensitivity. In this article, a diagnosing method of the blade interior by means of the laser ultrasonic is presented. Identification of small fatigue cracks presents a challenging problem during nondestructive testing of fatigue-damaged structures. Laser ultrasonic is a technique that uses two laser beams; one with a short pulse for the generation of ultrasound and another with a long pulse or continuous coupled to an optical interferometer for detection. The results of research of the internal blade structure are presented.     

激光喷丸强化系统协调控制方法与实现

针对复杂型面工件激光喷丸强化应用中对加工点位精度的要求以及激光脉冲触发时间点需要与工业机器人调姿到位时间点精确匹配,提出激光脉冲与工业机器人协调控制方法。通过脉冲能量检测实现出光快速反馈,并基于EKI接口通讯实现KUKA机器人运动控制及到位反馈,完成激光脉冲与工业机器人点位运动闭环匹配。在此基础上研制激光喷丸强化工艺系统,主要包含激光光源、工业机器人、传输光路、工艺辅助模块以及上位机控制平台。以平面点阵坐标进行协调控制实验及对整体叶盘进行激光喷丸强化实验。结果表明,本系统具备较好的激光脉冲-工业机器人协调控制精度,能自动完成激光喷丸强化工艺流程,具有对复杂型面工件的激光喷丸强化能力。     

复合材料桨叶蒙皮层间裂纹的应力强度因子求解方法研究

蒙皮分层是复合材料桨叶疲劳破坏的主要形式.文中以应力强度因子为蒙皮分层扩展参数,应用准三维方法及复合材料桨叶结构模型,推导带预扭角的直升机桨叶蒙皮的三维应力-应变关系;同时依据各向异性体界面断裂力学,分析蒙皮存在初始裂纹时裂尖的振荡性,并采用相互积分法给出应力强度因子的求解方法,最后通过数值算例论证文中的方法是可行的.     

复合材料结构材料参数转换及在有限元分析中的应用

多层的纤维缠绕复合材料结构中,各个单层间具有不同的纤维铺设角,呈现各向异性的材料特性,在进行有限元分析时,必须对材料的材料特性进行处理变换。根据基本力学方程,对不同缠绕方向的纤维层材料,把不同材料坐标系下的特性参数等效变换到统一坐标系。并利用ANSYS软件对层合结构进行有限元分析,结果表明此转换是可行的。     

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.     

Impact damages and residual bending strength of CFRP composite laminates subjected to impact loading

The purpose of this study is to confirm the decreasing in residual bending strength, and the failure mechanisms experimentally when CFRP composite laminates are subjected to foreign object damage (FOD). Composite laminates used in this test are CFRP orthotropic laminated plates, which are stacked with two-interfaces [0^o ₆/90^o ₆] _sym and four-interfaces [0^o ₃/90^o ₆/0^o ₃] _sym . When the specimen was subjected to transverse impact by a steel ball, the delamination area generated by the impact damage was observed by using the SAM (scanning acoustic microscope). Also, the fracture surfaces obtained by three-point bending test were observed by using the SEM (scanning electron microscope). Further, failure mechanisms were investigated based on the observed delamination areas and fracture surfaces.     

基于阵元指向性的复合材料曲面结构超声表面契合法研究

采用相控阵超声结合表面契合法(Surface adaptive ultrasonic,SAUL)检测复合材料曲面结构过程中周向缺陷检测分辨力低,给缺陷定量带来困难。为提高SAUL的检测能力,以T700/环氧树脂T形长桁为研究对象,建立弹性各向异性有限元模型,并对照弹性各向同性情况分析其声传播规律,发现弹性各向异性和层间反射共同作用导致肋板处形成明显噪声。在此基础上,基于阵元指向性开展曲面结构成像检测研究,结果表明：引入阵元指向性校正系数对声源脉冲信号幅值进行优化,降低探头频率,可使阵元声场更适应曲面结构,从而减弱两侧肋板反射,提高成像质量。针对周向长度4.5 mm、深1.5 mm的分层缺陷,改进后的SAUL方法对应仿真和试验中周向缺陷长度定量误差较常规SAUL结果分别减小7.4%和13.1%,表明优化阵元指向性可有效改善SAUL周向检测分辨力,提高复合材料曲面结构超声检测缺陷定量水平,具有推广应用价值。