基于空耦换能器的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料激光超声检测技术

激光超声技术具有无需耦合剂、快速及高分辨等特点,适用于各向异性碳纤维增强树脂编织复合材料的缺陷检测。运用有限元法分析了激励位置和编织结构对激光点源激发超声波信号的影响,获得了弹性波在材料内部的传播规律以及能量分布特征,并采用1 MHz空气耦合换能器搭建了一套小型化、低成本的非接触激光超声C扫描成像系统,开展了斜纹和缎纹碳纤维增强树脂编织复合材料的近表微结构和内部缺陷检测实验。结果表明,基于空气耦合换能器的激光超声成像可以高精度地再现碳纤维增强树脂编织复合材料的近表树脂囊、碳纤维束形状、取向、尺寸及其内部缺陷等空间分布特征,有望为航空复合材料提供一种原位的微结构表征和缺陷检测方法。      

基于零群速兰姆波的不等厚对接焊缝缺陷检测

焊接结构由于材料、工艺和环境等差异易出现各种类型缺陷,严重影响结构整体的安全性能。超声检测法是一种有效的缺陷无损检测方法,常规超声缺陷测量技术在处理复杂曲面时会出现模式转换及影响缺陷检测精度的问题,故该文提出了基于零群速兰姆波模态的不等厚对接焊缝缺陷检测仿真研究。首先,基于Bloch-Floquet边界和域约束的有限元特征频率法,研究变厚度薄板中零群速模态频率偏移规律,选取厚度变化敏感的零群速模态并对激励信号进行参数优化。然后,通过建立焊缝仿真模型验证变厚度薄板中零群速模态频率偏移规律,成功重构出焊缝薄板的曲线厚度,误差为±0.05 mm。最后,建立不等厚板焊缝模型进行缺陷检测,成功地重构出焊缝内部的微小缺陷的位置信息(>0.5 mm),厚度方向和水平方向的误差分别为±0.05 mm和±0.02 mm。     

基于双模式超声换能器的选择性激光熔化316L制件弹性常数无损表征研究

选择性激光熔化技术(SLM)可以快速成型任意结构的金属零件,但其制件的内部组织和材料性能与传统制件有着显著区别。基于双模式超声换能器对SLM 316L不锈钢制件的不同方向弹性常数及其分布进行表征研究。首先通过设计并制备高性能双模式超声换能器,搭建超声弹性常数分布测量系统。对SLM制备的316L不锈钢试样依次进行纵波和两个正交横波声速测量,获得同位置处不同方向弹性模量和泊松比。通过不同成型方向的声速测量,发现SLM制件在堆积z方向熔化层内呈现显著区别,表现出明显的各向异性。而y-z平面内弹性常数分布表征表明,杨氏模量E₁₃大于E₁₂,泊松比σ₁₃小于σ₁₂,且制件各熔化层弹性常数分布规律相似。此外,还讨论了加工过程中扫描速度和扫描间距等工艺参数对弹性参数的影响。选择性激光熔化制件弹性常数的有效无损表征将为增材制件内部质量控制和工艺改善提供技术基础。     

基于超声高阶兰姆波的薄板应力测量技术研究

金属薄板结构在加工制造和服役的过程中,通常会伴随着残余应力和外部应力,过大的应力会使薄板产生变形,严重影响整体结构的正常工作。应力状态的评价是判断工程构件是否安全和可靠的一项重要指标,超声应力检测法是一种有效的应力无损测量方法。针对超声应力测量技术对薄板结构应力灵敏度不高且研究较少的问题,提出了一种基于超声高阶兰姆波的薄板应力测量技术。首先,基于Bloch-Floquet边界和域约束的有限元特征频率法,研究了兰姆波各高阶模态的声弹性效应,选取应力敏感的兰姆波模态。然后,搭建超声兰姆波应力测量系统,在特定频率激励A₁模态,并在均匀薄板中进行应力标定。最后,在非均匀薄板中进行应力检测,成功检测出薄板中不同位置的应力,且最大应力误差为15 MPa。结果表明,该文从理论和实验方面验证了超声高阶兰姆波的薄板应力测量技术,可以实现金属板材中的应力准确测量。     

芯片基板材料的液浸法超声测量研究

采用基于脉冲反射法、A型显示法、纵波法、单探头法以及液浸法的超声测量方式对组成芯片的铝基板和铜基板声速进行测量。分别采用基于换能器移动改变声程和基于反射底面变化改变声程2种方法,对水的声速进行标定测量,得到系统的测量误差为0.13%;基于反射界面变化改变声程测量铝基板和铜基板,在90%的置信概率区间内,得到铝基板的声速为(6375.97±29.97)m/s、铜基板的声速为(4655.70±28.24)m/s;对铝基板和铜基板的仿真分析与测量结果相似,表明该测量方式具有较高精度。测得的声速可用于研究芯片的其他物理特性以及超声检测芯片的连接及内部界面结合质量。