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。     

纵扭共振旋转超声端铣碳纤维复合材料的试验研究

碳纤维复合材料加工中易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷,是难加工材料。通过建立超声端铣碳纤维复合材料模型,分析两种角度下端铣碳纤维复合材料机理。采用纵扭共振旋转超声端铣和普通端铣碳纤维复合材料进行试验研究。试验结果表明:纵扭共振旋转超声端铣下,碳纤维复合材料已加工表面平整,刀具磨损少;而普通端铣条件下的已加工表面沟槽、凹坑较多,刀具磨损较大;超声端铣效果优于普通端铣。     

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。     

复合材料冲击损伤高分辨率超声成像检测与损伤行为分析

冲击损伤是复合材料结构易产生的一种危害性缺陷,针对碳纤维复合材料层压结构特点,分析脉冲超声波在复合材料中的反射特性,当能减小入射声波脉冲的时域占宽,提高其品质,可显著改善超声检测表面盲区和纵向分辨率。利用入射声波在冲击损伤区形成的反射信号及其渡越时间可确定冲击损伤的深度和大小。研究采用高分辨率脉冲超声B扫描和层深C扫描(T扫描)成像方法,可揭示复合材料内部冲击损伤及其大小与沿厚度方向的分布特征,进行复合材料冲击损伤量化评估与损伤行为可视化分析。试验结果表明,在入射脉冲单周脉冲特性条件下,当来自复合材料缺陷的回波信号的渡越时间达到入射声波脉冲时域占宽的一半左右时,即可清晰地提取到时域可分辨的缺陷回波信号,使超声检测表面盲区和纵向分辨率达到单个复合材料预浸料铺层的厚度,约0.13 mm。利用超声断面B扫描成像,可以形象地再现复合材料中冲击损伤的断面分布与扩展情况以及损伤的深度等确切信息。采用超声T扫描成像,则可以直观地再现冲击损伤在复合材料铺层方向的分布及其损伤区域(面积)等定量信息。二者的结合则为揭示复合材料冲击损伤的3D分布及其特征提供一种超声成像检测量化评估和损伤行为可视化分析方法。     

直齿圆柱齿轮内部缺陷的超声自动检测

齿轮制造和运行过程中产生的内部缺陷是影响设备运行安全性的重要隐患。提出了一种基于XY运动平台的直齿圆柱齿轮内部缺陷超声自动检测方案,对相应的超声自动检测系统进行了设计分析。根据直齿圆柱齿轮的齿廓特点,采用超声纵波检测和弓字形扫描原则对超声探头的扫描路径进行规划。对齿轮超声检测信号特征进行了分析建模和内部缺陷位置的提取。在此基础上,开发软件实现了齿轮超声检测信号采集、扫描运动控制及内部缺陷的可视化。通过齿轮超声C扫描实验,验证了本方法的有效性。     

超声成像自动检测系统开发

采用常规超声检测工件时,检测效率低,无法得到直观的检测结果。为了提高超声检测的检测速度、检测适用范围及灵活性,采用电子扫描、动态闸门、信号去噪及成像算法,结合三轴机械扫描架,研制了超声成像自动检测软硬件系统。采用双晶探头对4 mm厚的碳纤维复合材料试样内分层孔缺陷进行了检测扫查试验,对检测系统的性能进行了初步验证。通过对-6 dB法成像矩阵数据进行双线性插值法的方式,对碳纤维复合材料分层孔缺陷进行定量分析,孔缺陷面积定量误差降低了6%～7%,直径定量误差降低了3%～4%,有效提高了缺陷定量精度。试验结果表明所研制的系统能够实现对试件内缺陷信号特征提取及成像,满足检测的要求。     

碳纤维复合材料钻孔加工的缺陷分析

为了解决碳纤维复合材料(CFRP)钻孔加工过程中出现的撕裂、毛刺、分层等问题,以及将碳纤维复合材料更好地应用到机械制造行业中,进行了碳纤维复合材料的钻孔试验.通过实验研究了碳纤维复合材料的钻孔缺陷,分析了碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类,以及钻削力、刀具的锋利性、钻削温度等因素对孔加工质量的影响,建立了钻削速度、进给速度与钻孔质量之间的关系;采用DM2500M金相显微镜以及KEYENCE VHX-1000三维显微系统进行了相关的试验.研究结果表明,钻孔加工缺陷出现部位呈现一定的区域性,钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位,入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;随着进给速度的减小和主轴转速的增大,钻孔缺陷能够得到明显的改善;采用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高转速下进行,高转速下钻头切削刃更易切断纤维,可以得到质量更高的钻孔.     

树脂固化温度与纤维铺设方式对C/E复合材料制孔质量的影响

在碳纤维树脂复合材料制备及加工过程中均较容易产生各种缺陷,并影响构件最终的加工质量及使用性能.为研究碳纤维树脂复合材料制备过程中产生的缺陷对制孔出口质量的影响,提出一种通过改变预浸料固化温度模拟材料制造缺陷的方法,并对不同温度固化和不同方式铺设的样件进行了模拟制孔试验,分析剩余刚度对材料内部缺陷扩展及制孔出口质量的影响...     

小尺度浅层瞬变电磁检测复合材料的实验研究

针对碳纤维复合材料复杂的结构特点,借鉴地质勘探中的瞬变电磁法,提出小尺度浅层瞬变电磁法对复合材料进行检测.采用浅部瞬变电磁勘探系统,通过改进检测线圈结构并合理选择阻尼电阻,可以实现碳纤维复合材料的瞬变电磁检测.实验结果表明,剖面曲线主要异常的个数与实际缺陷的个数相同,而且异常宽度与缺陷大小的变化规律也是一一对应的.     

基于群速度校准的超声导波技术及在复合材料缺陷检测中的应用

由于在复合材料板中传播的超声导波具有偏斜效应,使得理论群速度与试验测得的群速度不一致,因此需要对群速度幅值和传播方向进行校准。数值计算复合材料板中超声导波频散方程得到S0模态各个方向的理论相速度频散曲线。运用群速度校准法则对S0模态群速度幅度和传播方向进行修正。校准后的理论群速度与试验测得的群速度较为吻合。试验中采用频率200 kHz的S0模态对碳纤维复合材料板中的模拟缺陷进行检测。结果显示采用校准后群速度和试验测得的群速度可准确定位缺陷,且具有很好的一致性。因此,采用群速度校准法则可有效提高各向异性复合材料结构中超声导波的缺陷定位和识别能力。     

机器人辅助激光超声检测系统及参量匹配方法

为解决飞行器复合材料构件的非接触、高精度无损检测问题,提出基于关节型机器人的激光超声检测系统及光声学参量匹配方法。采用有限元方法建立层状复合材料模型,计算分析材料层状各向异性导致激光超声的非对称分布、声束倾斜和畸变特征,结合实验分析得出利用激光超声表征分层的光声学参量匹配方法。在系统设计上,利用1 064 nm波长的Nd:YAG脉冲激光器激励超声波,利用基于光折变效应的双波混合干涉测量系统探测超声信号,激励和探测激光由光纤传导并投射至被检测工件表面,采用精密六轴关节型机器人作为C型扫描装置,建立系统的实验室原型,实现碳/环氧复合材料试样的C型扫描检测,得到试样中模拟缺陷的分布、形状和尺寸特征,验证了检测系统及参量匹配方法的有效性。研究结果表明,研制的机器人辅助激光超声检测系统可以实现碳/环氧复合材料内部直径1 mm以上分层的检测与成像,在飞行器复合材料构件的无损检测方面具有应用前景。     

碳纤维陶瓷基复合材料用于密封摩擦副的温度场研究

机械密封摩擦副材料的选择对密封的性能有很大的影响。碳纤维陶瓷基复合材料作为新兴复合材料,具有耐腐蚀性能优异、机械强度高、耐热性和热传导性能良好等特点,是机械密封副配对材料的很好选择。选用碳纤维陶瓷基复合材料作为机械密封摩擦副材料,用数值模拟方法得到其机械密封摩擦副间温度场的模拟值,并通过实验验证数值模拟的准确性。碳纤维陶瓷基复合材料应用于机械密封摩擦副时,密封在降低温升、减少泄漏及减少摩擦磨损方面改良效果明显。     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三 维成像方法。 使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图 像数据。 利用均匀三次 B 样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生 成超声点云集。 最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。 实验结果表明,本 文方法的缺陷成像结果与 CT 检测结果的平均误差为 1. 14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材 料曲面样件内部缺陷的精确表征。     

Comparison of drilled hole quality evaluation in CFRP/CFRP stacks using optical and ultrasonic non-destructive inspection

In aeronautical industry, stringent requirements relate to the quality of drilled holes in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composite laminates as low hole quality determines poor assembly tolerance, structural properties reduction, and risk for long-term part performance. Non-destructive quality control techniques were applied to drilled CFRP laminate stacks for aeronautical applications to characterize the material damage induced by drilling in order to assess the hole quality for product acceptability. Experimental metrology procedures, including optical measurements and ultrasonic non-destructive evaluation, were employed to appraise both external and internal induced material damage in holes machined under diverse drilling conditions. The optical inspection procedure, comparable to the visual inspection method regularly utilized in industry, provided delaminated area evaluations that are underestimated in the case of severe drilling conditions by up to 7% for hole exit and up to 5% for hole entry. In the case of less severe drilling conditions, the underestimation was limited to <2.5% for both hole exit and hole entry, which can be considered a practically negligible disparity.     

超声铣削复合材料应力场分析与试验研究

为解决复合材料难加工问题,本文采用超声铣削和普通铣削加工方法对复合材料进行试验研究。试验结果表明,在超声加工条件下,由于外加的周期性振动使铣削力大大减小,使得已加工表面产生较小的应力场,则纤维束和碳基体交界处微裂纹扩张速度减慢和分层不明显;而在普通加工条件下,由于产生较大的铣削力,则纤维束和基体交界处裂纹扩展迅速,且分层也十分明显,工件表面纹理质量很差。     

基于空耦超声共振法的复合材料测厚技术研究

为解决当前传统超声检测技术对复合材料的检测耦合剂污染和检测效率低等问题,提出空气耦合超声共振法来检测复合材料薄板的厚度,从而确定缺陷的大小。利用 COMSOL 有限元仿真软件对复合材料进行建模,设置不同厚度及不同大小缺陷的物理模型来对比实验,后处理求解并进行快速傅里叶变换,提取谐振频率计算出复合材料的厚度。结果表明,超声共振法可对复合材料进行定性、定量检测;当复合材料的厚度越薄时,超声信号产生的谐振频率越大,则复合材料中所含缺陷范围越广,分层现象越严重;其检测精度可达 0.1 mm 左右,相对误差范围分布在 5% 以下。实验证明了该测厚技术的可靠性,为超薄复合材料板缺陷厚度的测量提供一定的参考和借鉴。     

厚截面碳纤维复合材料远表面微缺陷超声检测

为了识别厚截面碳纤维复合材料(CFRP)远表面的微缺陷,使用递归分析方法对超声检测信号进行分析。首先在厚截面CFRP材料上打孔以模拟微缺陷,采用水浸超声脉冲反射法对不同大小的模拟缺陷进行检测。然后选取缺陷位置附近信号段,确定嵌入维数m、延迟时间τ、阈值ε等参数,对各信号段进行递归分析,得到递归图及递归定量分析结果。比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归图,从宏观上定性确定微缺陷对超声信号的影响;比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归定量分析结果,根据每个递归定量参数的物理意义,对缺陷产生的影响作出合理的解释。最后,使用不同中心频率探头进行实验,确定合适的探头参数。分析结果表明,使用7.5MHz高分辨率超声探头时检测效果最好;当嵌入维数为7、延迟时间为2、阈值为2时,递归图中出现异常白色区域、递归点增多且对角线结构变长,同时所选取的递归定量参数随缺陷增大而上升,表明厚截面CFRP远表面超声信号可能存在混沌结构,而微缺陷的存在会改变原有信号结构。所研究内容为实际微缺陷的定量识别及分类打下基础。     

不同铺层转角T700/E44 复合材料拉伸强度有限元分析

碳纤维复合材料的失效行为与复合材料内部的应力状态有关,不同铺层转角的单向碳纤维复合材料层合板的性能具有明显差异。文中利用HyperWorks 商用有限元软件建立了T700/E44 复合材料层合板拉伸模型,基于Chang-Chang 复合材料失效模型对不同铺层转角复合材料层合板的 X 向及 Y 向拉伸性能进行了数值模拟分析。研究结果表明,复合材料层合板以45° 铺层转角对称结构层合时,复合材料有着最佳的综合拉伸性能。这对高性能雷达中复合材料部件的铺层结构设计具有重要的指导意义。     

一种短切碳纤维增强塑料强度的预测方法

高性能纤维增强的先进复合材料中,短切碳纤维增强塑料因在性能上的多面性及较低的制作成本而极具吸引力.综合前人的研究成果推导了短纤维增强复合材料的强度混合法则公式,并用纤维长度效应来修正短纤维复合材料中的轴向应力分布的不均匀性,建立模型来正确估计各种参数对强度的影响规律.以短切碳纤维增强PTFE复合材料为例说明强度预测的正确性,为新材料的应用及新型结构的设计提供了依据.