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。     

利用超声成像分析不同复合材料层压结构冲击损伤行为

复合材料各向异性和吸能的特点,在受到外来冲击作用时容易产生损伤,呈现表里迥然不同的损伤行为和分布规律。为研究不同复合材料层压结构的冲击损伤行为,设计制备树脂传递模型工艺(Resin transfer molding, RTM)缝合和预浸料复合材料层压结构两种不同成型工艺的试样,通过冲击试验模拟复合材料在外力作用下产生的冲击损伤,采用超声反射法,通过点聚焦换能器对试样进行超声B扫描成像,揭示两种复合材料层压结构试样内部断面损伤行为及其扩展规律。试验结果表明,冲击引起的试样内部损伤比表面损伤要大得多;随着冲击能量在试样内部传递,会在不同深度铺层产生新的损伤,而且损伤分布并不仅沿层间界面扩展;冲击点附近和远离冲击点附近的内部损伤具有明显不同的分布规律;RTM缝编与预浸料复合材料结构呈现明显不同的损伤行为,其中RTM缝合复合材料结构中的纵向缝线,对冲击损伤在试样内部沿层间的扩展有显然的阻止作用。研究结果对更好地理解复合材料的损伤行为、寻找新的改进复合材料层压结构损伤行为的机制有非常重要的指导意义和帮助。     

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。     

包络提取在冲击损伤成像方法中的应用

为了提高复合材料冲击损伤的监测效率和定位精度,提出了一种基于希尔伯特黄变换的损伤成像方法。利用希尔伯特 黄变换对信号包络进行提取后再成像,可以有效简化原始信号,同时提高模式走时提取精度和损伤监测效率。试验表明：在对复合材料层合板的冲击损伤进行成像的过程中,利用时域信号包络进行损伤成像可以明显改善成像效果,而不改变损伤定位精度;相对于短时傅里叶变换,希尔伯特 黄变换在信号包络提取和成像效果方面更具有优势。     

复合材料低速冲击损伤超声红外热波检测能力评估

为评估超声红外热成像对复合材料低速冲击损伤的检测能力,提出了评估流程和评估标准。设计并制作了复合材料层合板,分别采用超声红外热成像和超声C扫描两种方法对不同冲击能量下的冲击损伤进行了检测研究,以超声C扫描结果作为参照,对比分析了超声红外热成像的检测结果并对损伤大小进行了定量识别。结果表明:超声红外热成像不仅能够对冲击损伤进行准确的定位,还能有效地检测出冲击引起的纤维断裂、基体开裂和分层等具体的损伤形式,检测速度快,非常适合用于在线检测;与超声C扫描相比,超声热成像方法对冲击损伤大小的识别误差小于6%,检测精度较高,满足检测要求。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

基于FPGA的高分辨超声快速扫描成像系统研制

针对超声C扫描成像系统步进式扫描方式速度慢的缺点,研制了一套基于FPGA技术的超声快速扫描成像系统,实现超声换能器在扫描平台连续运动过程中回波信号的快速采集与传输。系统将高精度点聚焦超声显微测试平台和FPGA硬件化信号采集和处理技术相结合,采用FPGA技术进行数位信号的高速采集和处理,利用幅值法和时间法进行回波信号特征值提取,实现了超声快速扫描成像。利用该系统分别对特制试件幅值法和时间法的成像分辨率进行分析;并对硬币和电子封装芯片进行扫描成像测试。结果表明,系统扫描速度快,检测结果直观,成像分辨率高,横纵向分辨力可达50μm,不仅可实现快速清晰成像,而且可进行微小结构的检测,为材料内部缺陷快速检测成像奠定了基础。     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术对复合材料层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式对复合材料层合板冲击损伤的影响规律。研究结果可为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。     

基于匹配追踪的蜂窝夹层复合材料损伤检测

基于Lamb波和匹配追踪时频分析方法,提出一种损伤成像方法,对蜂窝夹层复合材料结构进行损伤监测.首先针对Lamb波传播的特点,提出了匹配追踪方法的快速实现方案,该方法能准确地匹配失真变形的窄带脉冲信号,并识别Lamb波的模态;然后对由压电传感器采集到的Lamb波信号,采用匹配追踪方法提取特征信息,得到Lamb波的能量分布;在此基础上,考虑Lamb波在各向异性结构中传播速度的影响,将损伤处的散射波能量分布和各像素点对比度联系起来,得到损伤图像,将损伤的情况可视化.通过蜂窝夹层复合材料结构实验验证了该方法的可行性和有效性.     

Internal defect detection using laser-generated longitudinal waves in ablation regime

Laser ultrasonics could be an attractive solution for the nondestructive testing of structures in harsh environments. Longitudinal waves generated in the ablation regime are especially well suited to internal defect detection because they provide a higher signal-to-noise ratio in comparison to ultrasonic waves generated under a thermo-elastic regime, while their propagation direction normal to the surface enables the simplified interpretation processing of received signals when the defect echoes are analyzed. The internal defect detection using laser-generated longitudinal waves in the ablation regime was investigated numerically and experimentally, and a numerical model to simulate the generation and propagation of ultrasonic waves in the ablation regime was developed. This model was based on the simulation of ultrasonic generation and propagation caused by the net reaction force that was directly converted from the laser intensity absorbed onto the surface. This model was also extended as a model for internal defect detection. A steel specimen containing artificial internal defects was fabricated and inspected by using the through-transmission (T-scan) and pulse-echo (B-scan) modes. Clear amplitude reduction was observed in the transmitted waves at the defect positions in T-scan images, while B-scan images clearly showed the defect echoes arriving at different times depending on the depth location of internal defects. These results demonstrate that longitudinal waves excited in the ablation regime can be effectively used for internal defect detection.     

高速轨道超声成像伤损检测及其参数学习方法

针对高速轨道伤损检测问题,提出一种基于0°、37°、70°超声探头探伤的检测方法。该方法基于B型图像显示分析了各伤损的颜色、面积、倾斜角度、长度、质心坐标等特征,并根据其伤损特征的内在逻辑关系设计了检测算法。此外,由于超声成像过程受多种不确定因素的影响,同类伤损的图像特征常出现较大差异而影响检测准确率,为了提高算法检测的准确率,提出一种参数学习方法,该方法可实时调整检测参数的阈值。首先,基于建立的检测算法模型提取伤损判定过程的检测参数;其次,结合伤损的关键检测参数,以相同特征约束下的同区域轮廓其类别特征间隔最大化为准则,基于支持向量机建立了一种检测和学习相结合的学习模型,并基于该模型对参数阈值进行优化调整。实验结果分析表明,采用所提方法,其轨道伤损检测准确率可达97.5%;并对初检中检测率较低的伤损进行学习再检测,其准确率得到了明显提高,从而验证了所提方法的有效性。     

高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究

外物致损是造成高速列车车轴疲劳失效的典型因素之一。采用立体显微镜分析CRH2系列高速列车S38C车轴表面的损伤，借助轻型空气炮向取于S38C车轴表面的四点弯曲疲劳试样发射多种角度、速度的球形和正方形钨钢弹体，模拟外物致损。采用逐步加载法来确定损伤试样的疲劳强度，在场发射扫描电镜下观测损伤特征和疲劳断口形貌。结果表明，车轴表面的损伤大部分是刮擦，少部分是缺口。球形弹体垂直冲击损伤随着速度的增大变得逐渐恶劣，材料缺失和微裂纹分布在损伤边缘，底部出现绝热剪切带引发的裂纹；球形弹体斜冲击损伤出射区主要以形变和剪切作用下的掉块为主；方形弹体冲击损伤形态各异。不考虑损伤形成的工况，试样疲劳强度随着损伤深度的增加而降低，深度作为损伤评价参数具有可操作性，本研究为车轴外物致损检修标准的制定提供参考。     

Aspects of the performance of a femtosecond laser-pulsed 3-dimensional atom probe

Specimen heating is shown to occur in the laser-pulsed 3-dimensional atom probe (3DAP), even in the case of femtosecond pulse lengths. This can have an impact on the spatial resolution of 3DAP analysis, due to surface diffusion, and peak temperatures must be kept sufficiently low to avoid these effects. Similarly, mass resolution can be limited in the analysis of low thermal conductivity materials, due to the slower cool-down of the specimen after the pulse. In such cases, the use of lower repetition frequencies and specimens with large shank angles is shown to improve mass resolution and reduce the noise and degradation in quantitative accuracy resulting from increases in base temperature.     

有限角度水浸超声检测空间复合成像

为降低噪声及伪影对水浸B扫成像的影响,提高成像分辨率及对比度,研究了一种适用于水浸检测的有限角度空间复合成像方法。控制不同入射角,实现角域回波信号的采集,采用希尔伯特变换对回波信号进行包络处理,考虑水与工件的声学差异,通过修正渡越时间偏差及折射路径偏差对有限角度内的回波信号进行重构,实现空间复合成像。以钢试块的水浸超声检测为例,对入射角为-7°、-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°、5°、7°的回波信号进行空间复合成像,成像结果表明相对于普通B扫查成像,其成像信噪比及对比度噪声比平均分别提高了9.1 d B、5.6 d B,成像横向分辨率平均提高了17.6%,为水浸超声检测提供了一种高精度B扫成像方法。     

激光超声信号变分模态分解与裂纹定量检测

针对激光超声检测技术应用于金属增材件中所获取的信号具有复杂、多模态、信噪比低的特性的问题,获取激光超声信号进行时频分析,探究其频域可分性,采用变分模态分解算法根据频域特征进行分离并提取最佳表面波模态。在此基础上,提出一种基于激光超声信号B扫图结合变分模态分解提取表面回波特征值技术,对金属增材件表面裂纹长度进行定量检测。针对直接观察B扫图获取裂纹长度信息存在误差较大的问题,通过对变分模态分解提取的表面波模态在有无裂纹时反射回波峰峰值的变化分析,绘制扫查位置-峰峰值图并据此精确获取裂纹起始和结束位置,检测结果的相对误差不超过8%。与直接获取原始信号B扫图的裂纹长度信息相比,提高了检测精度。该方法在金属增材件的激光超声信号的特征提取与定量检测方面具有可行性。     

超声渡越时差法检测图像中裂纹端部信号的识别

利用超声渡越时差法(Time of flight diffraction,TOFD)对含有人工内部裂纹的铝合金试块进行检测。为了提高检测精度,对低分辨率双曲线特征的B扫描图像进行处理。根据超声TOFD法的检测特点,建立B扫描图像合成孔径聚焦(Synthetic aperture focusing technique,SAFT)重建的数学模型,实现图像的增强处理。灰度极值检测的预处理提高了图像纵向时间分辨率;后继的SAFT处理有效地抑制图像中的冗余信息,提高缺陷的横向方位分辨率,从而提出一种灰度极值检测与SAFT相结合的B扫描图像处理方法。为了减少SAFT算法的计算时间,采用加运算窗处理,并确定合适的运算窗宽度。结果表明,该方法能有效地增强图像中检测目标,进而能够准确、快速地检测出裂纹上、下端部在模拟试块中的位置。