复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估

针对碳纤维增强树脂基复合材料分层缺陷的无损检测与评估问题,通过制备预埋分层缺陷的标准试样,利用超声相控阵技术对缺陷进行无损检测与定量评估,并对测量误差进行分析。首先,在层压板铺层中间埋入聚酰亚胺薄膜制备分层缺陷试样;然后,对试样进行超声相控阵检测,通过超声S扫和C扫图像对缺陷进行定性分析与定量测量,并结合声场仿真对检测误差进行分析。结果表明:所制备试样内分层缺陷形状规则、埋深及大小与预设一致;超声相控阵步进方向检测尺寸比较准确,而扫查方向尺寸误差较大;超声相控阵技术能够准确识别分层缺陷的形状、尺寸及位置,具有很高的检测精度,对较小缺陷具有很好的检测效果。     

低频相控阵超声检测用于船用复合材料缺陷定量分析研究

研究了低频相控阵超声检测技术用于船用复合材料缺陷定量分析的问题。首先针对典型船用复合材料的相控阵聚焦声场进行分析,包括典型材料声速对小缺陷检出能力的影响、不同频率和合成孔径对近场长度的影响以及不同聚焦深度的声场仿真,提出不同厚度典型船用复合材料的相控阵超声频率和合成孔径推荐原则。为了验证该原则的准确性,通过实测不同深度的Φ3 mm的小缺陷,运用TCG校准的方式对TCG曲线的线性和小缺陷的检测效果进行验证。实现了对典型船用复合材料近表面和内部缺陷的定量分析,达到了较好的检测效果。     

线阵相控换能器阵列参数对聚焦性能的影响分析

针对超声相控阵检测中广泛使用的一维线阵换能器,通过建立其声场数学模型和引入指向性函数,仿真分析了阵列参数对声束聚焦性能的影响,提出了改善换能器声场性能的措施。最后对优化参数的阵列换能器声场进行实验测试,测试结果表明其具有良好的声束聚焦性能,为超声相控阵缺陷检测中换能器的选择提供了参考。     

CFRP复杂几何结构区相控阵超声检测建模与声传播规律

为厘清碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)复杂几何构件相控阵超声检测中声传播规律,围绕CFRP材料R区开展了弹性特性表征、有限元建模、声场计算及实验验证工作。基于超声液浸背反射法和模拟退火算法求解了CFRP单向板刚度矩阵反问题,并借助Bond变换实现了R区弹性特性的定量描述。结合微观组织分析等获取材料、几何特征,建立了虑及曲面形状、叠层、弹性各向异性的R区相控阵超声检测有限元模型,计算了R区相控阵超声检测A、B扫描信号,发现存在结构噪声和缺陷伪像。在此基础上研究CFRP材料R区瞬态声场并与CFRP平板、弹性各向同性R区和0°单向板R区情况对比,阐明了结构噪声和缺陷伪像的形成机制:弹性各向异性叠层结构导致倾斜入射的超声波发生反射和折射,与沿肋板传播的快速波混叠在R区形成结构噪声,同时多向板R区两侧肋板反射导致缺陷伪像,即材料弹性各向异性与构件曲面叠层结构耦合共同影响缺陷的精准辨识。      

超声相控阵延迟时间的声速校正及在复合材料中的检测

针对复合材料各向异性会导致声速随声波传播方向变化的现象,提出一种沿声波传播方向对相控阵延迟时间进行声速校正的方法.采用时域有限差分数值仿真方法分析相控阵超声波束在复合材料中的传播特性,验证提出的声速校正方法.搭建相控阵超声检测系统,对碳纤维增强树脂基复合材料平板试样进行检测实验,结果可见声速校正后近表面区域信噪比和缺陷检出率明显提高.研究表明所提出的相控阵延迟时间声速校正方法可缓解相控阵超声波束扩散,提高各向异性材料检测能力.     

基于时频分析的CFRP分层缺陷识别研究

为了实现碳纤维复合材料(CFRP)构件分层缺陷的检测,提出了时频定量分析方法.利用短时傅里叶变换(STFT)、魏格纳变换(WVD)和平滑伪魏格纳变换(SPWVD)3种时频分析方法对超声回波信号进行分析和对比,从信号时频表示中的各种特性,如时频聚集性、主体能量、交叉干扰项等,选出了对超声回波信号比较适合的时频分析方法—SPWVD,随后对其时频谱进行降维特征提取.结果表明,采用SPWVD时频分析方法有效降低了干扰对识别准确性的影响,对CFRP构件分层缺陷检测具有可行性.     

先进树脂基复合材料纤维褶皱缺陷阵列超声全聚焦成像

先进树脂基复合材料因其密度低、强度高等特点,广泛应用于航空航天领域。纤维褶皱是先进树脂基复合材料制造过程中产生的一种缺陷,常规超声检测效率低,而阵列超声全聚焦成像检测技术则依赖准确的声传播延时。针对先进树脂基复合材料中的各向异性和多层折射界面而导致声波延时计算困难的问题,提出了一种使用Viterbi搜索算法的声线示踪方法,用于计算阵列超声全聚焦成像检测的时间延迟。对5.92 mm厚的多向碳纤维复合材料层压板进行阵列超声全聚焦成像检测实验,结果表明,使用声线示踪法计算延时,可以使采集的全矩阵信号被准确地相干叠加,有效检测出多向碳纤维复合材料层压板中的纤维褶皱缺陷。     

超声针灸相控阵声场及控制模式研究

超声“针灸”是利用二维相控阵实现声能在皮下不同深度的聚焦,刺激特定穴位,从而模拟传统针灸手法的治疗技术。对设计的超声针灸相控阵在不同聚焦深度下的垂直聚焦声场和偏转声场进行仿真,并对焦域进行统计分析,明确了所设计的相控阵探头延时聚焦声场可以满足超声“针灸”的“针形”声场要求。基于声场仿真,还对超声“针灸”声场控制模式进行了仿真研究,研究结果表明:控制超声相控阵聚焦声场聚焦位置的上下移动以及偏转聚焦,可以模拟传统针灸的提、插以及进针角度的变化,为超声“针灸”进一步模拟传统针灸手法提供了理论依据。     

汽轮机焊接隔板坡口角度对相控阵超声回波信号影响的定量研究

本工作采用相控阵超声技术对汽轮机焊接隔板进行检测。针对相控阵超声检测时隔板焊缝坡口角度对坡口未熔合缺陷回波信号的重要影响,根据隔板焊接结构的调研数据,使用CIVA仿真软件对坡口角度范围内的不同直径平底孔进行纵波声场仿真计算,并设计不同尺寸和倾角的平底孔,对CIVA建模仿真计算结果进行检测验证。仿真模拟和检测结果都表明:(1)随着平底孔角度的增加,平底孔回波幅值下降,不同尺寸平底孔波幅差值变小;(2)大平底回波幅度随着倾斜角度的增加快速下降。当倾斜角度达到7.5°附近时,2.5 MHz纵波声场下的回波幅度与倾角0°Ф4 mm平底孔回波当量相当。这将导致在隔板外环主焊缝实际检测中出现未熔合缺陷增大,回波幅度变小的情况。(3)在设置隔板外环主焊缝纵波检测灵敏度时应根据坡口角度和探头频率进行补偿,可通过试块实测值或仿真计算值进行补偿,缺陷分析时不能仅按照波幅当量对缺陷进行判定。     

小截面方管结构CFRP复合材料的超声检测方法

新型飞行器已采用小截面碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforce Polymer, CFRP)复合材料方管结构。针对该类复合材料方管的材料组成和结构特点,分析和对比了常用的超声穿透法、超声反射法和整体超声穿透法对复合材料方管内部质量检测的适用性,提出了超声对面内壁反射法。采用超声对面内壁反射法对试块中的人工缺陷和实际产品进行检测。结果表明,采用该检测方法能够全部检出试样中的10 mm×10 mm的人工分层缺陷,且可有效地检测实际产品的分层和孔洞缺陷。     

曲轴R区域超声相控阵检测方法研究

针对曲轴结构复杂的特性,开展超声相控阵技术在某型曲轴R区域检测中的应用研究。首先,建立曲轴R部位的声束覆盖模型,研究超声相控声束对曲轴R部位的覆盖及反射特点;然后,用超声相控阵方法对曲轴R区域进行检测实验,采用弧面楔块,改善声耦合效果;用VB编写的辅助检测软件,对回波信号进行定位和分析。实验对象为带人工缺陷的三拐曲轴,利用相控阵多角度声束扫查功能对其进行检测,将相控阵系统得到的回波信号数据输入辅助软件对缺陷进行定位,其定位绝对误差2 mm,并且缺陷位置显示直观,有利于判别。实验研究结果表明:利用超声相控阵成像技术和辅助检测软件相结合的手段有助于曲轴R区域缺陷的快速检测和准确评价。     

含紧固件碳纤维增强树脂复合材料在雷电流A分量下的损伤特性

为深入分析雷电环境下含紧固件碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料的损伤机制及尺寸对损伤面积的影响规律,对两种不同尺寸含紧固件CFRP进行雷电损伤试验和仿真研究。根据热电耦合理论在ABAQUS中建立含紧固件CFRP的热-电耦合模型,得到单一雷电流A分量作用下CFRP的温度场分布规律;雷电损伤试验中采用超声C扫描方法评估试件损伤特性。试验和仿真结果表明:此雷击条件下,雷电流通过紧固件扩散到CFRP层合板整个厚度,试件在雷电流峰值不太大的情况下损伤面积较小,但随电流峰值的增大,损伤面积剧增、分层损伤严重。电流相近情况下不同尺寸的含紧固件CFRP的损伤分层、损伤形态及面积相近,尺寸对试件的损伤特性影响较小。试验和仿真研究为CFRP的结构设计提供一定的仿真和试验数据支撑。      

CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷研究

目的 研究不同放电能量对CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷的影响.方法 对2.4 mm厚的CFRP/Al夹层板进行电磁冲孔试验,通过超声C扫描无损检测技术、扫描电子显微镜及有限元数值模拟等手段分别对板料分层损伤、横截断面微观形貌及层间分层损伤进行评估,揭示不同放电能量对CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷的影响.结果...     

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.     

基于部分散射系数矩阵的缺陷识别方法研究

为了在相控阵超声成像检测时实现缺陷的定性分析,采用部分散射系数矩阵表征传感器采集到的部分散射场信息,并利用部分散射系数矩阵图进行缺陷识别。以相控阵超声全阵列采集获取到的全矩阵数据为基础,结合声波传播过程的衰减性,采用逆向补偿的方法将全矩阵数据补偿到以缺陷为中心的同一圆周上,以此获取缺陷的部分散射信息,并采用部分散射系数矩阵来表征。通过分析缺陷的部分散射系数矩阵图特征,对缺陷进行定性分析和判别。采用此方法对两种典型的缺陷进行仿真实验,结果显示,部分散射系数矩阵图不仅对圆孔和裂纹两类不同缺陷表现出差异性,对同类型不同尺寸和不同角度的裂纹也有明显的不同之处,表明利用该方法可实现缺陷的定性识别。     

金属夹心CFRP复合材料超声检测方法

新型机翼、弹翼等结构已采用金属夹心碳纤维增强（Carbon Fiber Reinfored Polymer，CFPR）复合材料结构。针对该类复合材料结构的材料组成和结构特点，分析和对比常用的超声穿透法和超声反射法能否对金属夹心CFPR复合材料内部质量进行检测，提出了先采用超声C扫穿透法确定缺陷的平面位置，然后采用高分辨率超声A扫反射法确定复合材料中分层缺陷及采用超声相位法确定复合材料与金属间的脱粘缺陷的方法。采用提出的方法检测带有预置缺陷的试样和实际产品。检测结果表明，提出的方法可准确检测试样中大小为5 mm×5 mm的预置人工分层和脱粘，且能准确检测实际产品中的缺陷。     

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板压缩力学行为的影响

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板的承载能力和失效模式有着显著的影响。通过实验和仿真相结合的方式,开展单一预制分层缺陷下、双分层缺陷同侧耦合及双分层缺陷异侧耦合作用下复合材料层合孔板的压缩承载能力及失效模式的研究。通过预埋聚四氟乙烯薄膜,制备了含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强树脂复合材料开孔板试件,采用浸没式超声C扫和数字图像DIC技术分别对复合材料层合板损伤和法向变形进行检测,研究含不同尺寸预制分层开孔层合板在压缩载荷下的分层扩展及失效变形特征,进而揭示分层缺陷大小对其承载能力的影响机制。构建基于内聚力单元方法的含孔复合材料层合板数值模型,对比实验修正模型,探索了单一预制分层缺陷下碳纤维增强树脂复合材料开孔板的损伤扩展机制,并在此模型基础上开展双分层缺陷耦合作用下复合材料开孔板在压缩载荷作用下的屈曲变形、分层扩展和承载能力的数值预测和分析。实验结果表明：含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层合板试件呈现出初始受压、局部屈曲、整体屈曲后破坏的失效模式,预制分层缺陷对复合材料孔板压缩力学性能有显著影响,随着缺陷的增大压缩承载能力逐渐下降。双分层缺陷耦合作用数值分析表明：双...     

复合材料空气耦合超声检测

复合材料由于其特殊的物理结构,具有强度高,质量小,力学性能好等优点,广泛应用于航空航天领域.但其在制造过程中会产生夹杂、分层等问题,使复合材料在服役过程中产生安全隐患.针对该问题开发了空气耦合超声检测系统,结合国标HB7224-95与HB5461-90,利用新型的空气耦合超声实现了对10mm以内复合材料分层缺陷的高速准确检测,能在一定程度上反映材料结构.配合一定的图像处理方法使成像精度更高,准确识别3mm以上缺陷部位.结果证明了该检测方法的可靠性,对复合材料生产工艺的改进具有一定的指导意义.     

搅拌摩擦焊焊缝未焊透缺陷的超声相控阵检测

采用A扫加S扫的超声相控阵检测模式对铝合金搅拌摩擦焊焊缝未焊透缺陷进行检测,研究了检测方向和未焊透长度对检测信号的影响,分析了不同未焊透长度超声相控阵检测图像的灰度共生矩阵纹理特性。结果表明,在返回边进行超声相控阵扫查其检测效果更佳;对于长度大于超声检测灵敏度的搅拌摩擦焊未焊透缺陷,随未焊透长度的增加,检测信号幅值相应增加;灰度共生矩阵的二阶矩参数可用来识别是否为未焊透缺陷,而对比度和相关性参数可有效判断未焊透缺陷长度。     

电磁超声单向表面波对铝板微小缺陷的检测

电磁超声表面波被广泛用来检测表面或近表面缺陷。双向表面波电磁超声换能器(ElectromagneticAcoustic Transducer, EMAT)会在两侧同时产生能量较低且均衡的超声波,而微小缺陷(缺陷深度远小于表面波波长)的反射信号非常微弱,易被噪声淹没,根据回波信号,难以识别和定位缺陷。为此基于惠更斯叠加原理设计了单向表面波EMAT,对其声场进行了有限元分析;研究了增强侧表面波遇到不同缺陷的响应特性,得出缺陷深度、角度与反射波幅值的关系;并对含不同微小缺陷的铝板进行了实验研究。仿真和实验结果表明,所提方法提高了表面波检测微小缺陷的灵敏度,并实现了缺陷位置及深度的量化。