航空复材构件R区相控阵超声检测研究进展

航空碳钎维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)构件通常具有几何形状复杂的R区结构,提高该区域缺陷检测质量对于保证航空构件的承载性能至关重要。本文结合声学建模及声传播规律仿真分析,确认了CFRP构件R区同时存在叠层、曲面及弹性各向异性3方面特点,导致超声波垂直入射难、声传播路径扭折、结构噪声强和声耦合效果差等问题。基于相控阵超声检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)技术,针对R区尤其是变厚度、变曲率和变角度情况下缺陷检测难题,重点综述了换能器研发、基于信号后处理的超声成像、固体柔性耦合介质及辅助工装研发等方面的研究进展,分析了当前研究存在的主要问题及未来发展方向。

基于压电阻抗技术的奥氏体不锈钢力学损伤定量监测

采用压电阻抗(Electro-mechanical impedance,EMI)技术对奥氏体不锈钢在拉伸过程中的力学损伤进行了定量监测实验研究。选择不同损伤状态下阻抗谱谐振峰频率偏移量△f及均方根偏差(Root-mean-square deviation,RMSD)值作为损伤识别指数,结果表明:在试样弹性变形阶段,△f和RMSD值很小,并且在加载过程中基本保持不变或小有波动;试样发生塑性变形以后,二者均明显增加,其中,△f值由0.05kHz随加载应力逐渐增加至1.65kHz时试样发生断裂,而RMSD由1.3%增大至17.6%后逐渐减小。文中对这种差别出现的原因及两参数各自的特点进行了讨论。显微分析结果证实材料弹塑性转变过程中两参数的变化与试样微观损伤具有很好的对应性,表明利用压电阻抗技术监测和评价核电管道用奥氏体不锈钢的力学损伤具有可行性。

提高碳纤维增强树脂基复合材料弹性常数超声表征精度的方法

为提高碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)单向板弹性常数的超声表征精度,基于超声液浸背反射法开展了实验测量和数值模拟。首先,搭建了角度旋转测试装置,并结合信号互相关处理技术实现了不同方向上的延时测量和声速计算;然后,通过模拟退火优化算法反演声速数据,得到了5个独立弹性常数;最后,利用理论计算和CIVA软件模拟仿真对实验测量结果进行了验证。结果表明:1-3平面内准纵波和准横波声速随入射角度而变化,与1-2平面内的表现出明显差异,由此显示材料为横观各向同性的;独立弹性常数分别为12.88、6.39、126.83、4.85、2.97GPa;理论计算、CIVA软件模拟仿真及实验测量结果的声速偏差小于6.4m/s,实验数据波动范围小于0.33%,对应的弹性常数误差均小于0.47%。相关方法同样适用于其他正交各向异性介质的弹性常数测试。

CFRP相控阵超声检测声学建模与声场优化研究

针对碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)复合材料层板相控阵超声检测中的声场开展了建模仿真研究。基于CIVA仿真平台分别建立了CFRP和各向同性材料的平板模型,计算了不同偏转角度下相控阵超声波束在两种材料中的声传播路径和声压分布,发现CFRP材料的各向异性和多层结构使倾斜入射的声束传播路径出现扭折,较各向同性材料聚焦效果差,声压幅值降低。在此基础上,对相控阵超声的聚焦法则进行了优化,并对优化前后的声场进行比较,发现聚焦法则优化后声线汇聚于预设焦点位置,聚焦效果得以提高,但声压幅值改善较小。

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。

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。

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。