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。     

CFRP复杂几何结构超声表面契合法缺陷检测

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics，CFRP)复杂几何结构(即R区)的声传播规律复杂，缺陷检测困难。为提高相控阵超声线性阵列探头的检测能力，以热压固化制备的T700/环氧树脂T形长桁为研究对象，从有限元建模与验证、水程优选与缺陷成像、面积型缺陷定量与覆盖范围三个方面研究了超声表面契合法(Surface adaptive ultrasonic，SAUL)检测的关键技术。结果表明：模拟和试验中分层缺陷均能有效识别，但试样两侧肋板表面和层间界面反射回波过强，成像噪声大，定量困难；对检测中水程进行优选后，两侧肋板反射回波基本消失，缺陷成像完整清晰，成像质量明显提升。在此基础上提出了R区面积型缺陷尺寸的定量方法及检测覆盖范围计算方法，实现了R区深度 1.5 mm、周向长度 4.5 mm分层缺陷的定量检测，深度定量误差6.7%，周向长度定量误差4.4%，满足工程需求。研究结果将为复合材料缺陷精准检测提供支持。     

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。     

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。     

基于分割环阵的 CFRP 分层缺陷超声全聚焦成像

碳纤维复合材料在钻孔加工时易产生分层缺陷,分层缺陷严重影响了构件的力学性能,存在严重的安全隐患。针对碳纤维复合材料孔边分层缺陷的检测,提出一种基于分割环形阵列的1/4矩阵全聚焦成像方法。设计了R4×S8、R3×S12、R3×S16和R4×S12四种分割环形阵列结构,通过数值仿真对比分析了各阵列的聚焦声场特点,最终确定分割环阵探头为5 MHz的R4×S12探头。使用该探头对碳纤维复合材料孔边分层试块的上层、中层、下层缺陷进行全矩阵采集,利用VTK工具包分别进行全矩阵三维成像和1/4矩阵三维成像。结果表明,1/4矩阵方法比全矩阵方法三维成像的缺陷对比度更高,1/4矩阵方法的缺陷尺寸表征误差更小,误差不超过6%。与全矩阵成像相比,1/4矩阵成像信噪比提升范围为3.43～7.61 dB,有效提升了图像质量。     

碳纤维复合材料钻削孔分层缺陷的研究

采用氯化金渗透液对多向碳纤维复合材料钻削孔的分层缺陷进行了检测研究。总结出了钻孔分层缺陷的立体模型，指出孔的分层缺陷由入口侧分层和出口侧分层两部分组成，入口侧分层尺寸远远小于出口侧分层尺寸，入口侧分层为圆形，出口侧表面几层分层为椭圆形，深层分层仍为圆形。在此基础上，进一步对多向碳纤维复合材料板材钻削孔孔出口分层缺陷的大小与钻削参数间的关系进行了试验探索，得到一些有价值的试验数据和结论。     

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。     

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。     

金属复合材料结合层质量检测研究

利用F扫描成像系统对金属复合材料结合层质量的检测进行了研究。双金属转子由铜和钢通过扩散焊连接,可能存在缺陷为联接不良,即分层缺陷。通过对全波列超声信号时频域变换,从超声信号本身以及材料缺陷两方面进行特征提取和分析成像,获得相应的深度特征成像和幅度特征成像,再对所得图像信息进行分析和评价,找出结合层的分层缺陷,给出结合层连接质量的定量化直观结果。     

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。     

相敏检波在空气耦合超声检测中的应用

空气耦合超声检测信噪比低、脉冲余振长,需要采用合适的信号处理技术增强接收信号的信噪比。根据空气耦合超声检测过程中影响接收信号的因素,提出先采用相敏检波技术对接收信号进行处理,获取相位信号,然后计算得到超声检测信息。介绍了超声检测中的超外差接收、相敏检波原理,并阐述了在超声检测应用中需注意的问题。根据分析研究结果,构建了相敏检波空气耦合超声检测系统,在常规超声检测系统的基础上进行了相应改造,实现了超声成像检测。碳纤维增强复合材料板的成像检测结果表明:相敏检波可以有效提高系统信噪比和检测效果。     

碳纤维复合材料平板分层缺陷的MIT检测

针对碳纤维复合材料(CFRP)平板构件中分层缺陷的检测问题,研制一种激励线圈与检测线圈放置方向相垂直的磁感应断层成像(MIT)涡流探头。基于MIT原理,建立三维有限元模型,进行MIT涡流探头的检测性能测试,从而确定最佳检测频率,进而开展灵敏度矩阵的数值计算;组建CFRP平板构建的MIT检测系统开展试验,应用Tikhonov正则化算法进行分层缺陷的图像重建与评价。结果表明,MIT检测方法能够实现CFRP平板构件中埋深1 mm的10 mm×10 mm×0.5 mm分层缺陷的有效检测和直观辨识。     

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。     

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。     

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.     

相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用

由于声波在空气介质中的衰减及气固界面巨大声阻抗差导致空气耦合超声透射信号信噪比差,大大影响检测结果的可靠性及缺陷定量精度。针对上述问题,基于雷达系统相位编码脉冲压缩技术的基本原理讨论匹配滤波器的设计及其在空气耦合超声检测中的实现,分析不同巴克码信号、带宽及载波周期数对脉冲压缩效果的影响,并以玻璃纤维复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)试样为对象,对比用单频正弦及相位编码脉冲压缩方法获得的透射超声信号信噪比及C扫描缺陷定量精度。试验结果表明选择换能器中心频率作为13位巴克码信号带宽时,脉冲压缩信号主瓣脉宽最小、幅值最大;相位编码脉冲压缩后超声信号信噪比较单频信号提高了12.4 dB,缺陷边缘更清晰且定量精度较单频信号提高了12%。说明在空气耦合超声检测中采用相位编码脉冲压缩技术能显著提高接收信号信噪比及缺陷定量精度。     

GFRP旋转超声振动套孔加工仿真及工艺研究

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。针对GFRP复合材料制孔加工中容易出现分层、撕裂等缺陷,采用旋转超声振动套孔加工方法对其进行磨削制孔的理论和试验研究。分析了旋转超声振动套孔加工中单颗磨粒的运动学特性,基于Hashin失效准则,对GFRP复合材料最具代表性的0°和90°角度铺层玻璃纤维进行磨削常规和旋转超声振动套孔加工有限元仿真研究。相较于常规加工,超声振动加工使磨粒具有周期性动态冲击磨削效果,改变了材料的去除方式,降低了磨削力,结果表明：超声振动加工的轴向力最大降幅可达20.1%,同时有效抑制了出口分层缺陷,孔壁表面的纤维断口光滑平整,制孔质量得到有效改善。     

基于幅度加权编码激励的不锈钢焊缝TOFD成像检测研究

通过Hamming窗加权方法设计了幅度加权调频编码激励信号,将这种新型的激励方法与TOFD(Time-of-flight diffraction)检测方法相结合,综合提高了粗晶奥氏体不锈钢焊缝缺陷检测的时间分辨力、检测信噪比和缺陷定量定位精度,有效改善了粗晶焊缝超声检测中的难点问题。为分析设计的幅度加权调频编码激励信号的检测能力,针对奥氏体不锈钢母材试件和焊缝试件中的横孔缺陷,采用5 MHz探头分别进行了编码激励和常规激励的TOFD成像检测对比试验,结果表明:在相同的检测条件下,幅度加权调频编码激励可提高了图像和信号质量,使检测信号中的杂波和噪声得到抑制,缺陷上端和下端衍射波被准确区分,使各波形的时间宽度降低了30%,有效提高了TOFD检测的时间分辨力;获得的缺陷定位定量测量的平均相对误差为3.8%,较常规激励降低了47%,这种激励方法可在不提高激励电压和增益条件下,使不锈钢焊缝中缺陷检测的信噪比达16 d B以上,较常规激励平均提高了7 d B。