填装材料CT图像中脱粘缺陷识别与深度测量

脱粘缺陷是影响填装材料物理安全性能的重要指标,计算机层析成像(CT)是进行脱粘缺陷检测的有效方法。但填装材料脱粘缺陷紧贴外轮廓、面积小,对比度低,分割时易受其他信息干扰,传统活动轮廓模型难以适用。本研究提出了一种基于SoftMax和正则项的Chan-Vese (SRCV)模型用于填装材料脱粘缺陷分割,系统比较了SRCV模型与多种活动轮廓模型对脱粘缺陷分割效果的差异,利用不同图片分割效果揭示了SRCV模型的抗干扰能力和兼顾全局与局部信息的能力,利用分割曲线的欧氏距离实现脱粘深度测量。研究结果表明,SRCV模型对填装材料脱粘缺陷分割更贴近脱粘边缘,分割曲线更光滑,准确度达99.56%,Dice系数为99.82%,脱粘深度误差不超过6%,特别适用于有大量干扰信息的微小脱粘缺陷的分割,较其他活动轮廓模型具有明显的优势。

基于改进Elman神经网络的CFRP补强钢板界面脱粘预测研究

针对碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)补强钢结构出现内部界面脱粘损伤后难以观测的问题,结合Lamb波检测方法和神经网络提出了一种界面脱粘预测方法。搭建了基于Lamb波的CFRP补强钢板信号分析试验平台,利用ABAQUS软件建立了CFRP补强钢板的机电耦合有限元模型,并通过试验验证了有限元模型的准确性。将长方形和圆形两种脱粘形状的信号在时域和频域内进行分析,基于自适应遗传算法改进的Elman神经网络建立了CFRP补强钢板脱粘预测模型,并将与脱粘面积相关性较高的信号特征数据作为预测模型的特征数据。对预测模型进行性能测试,脱粘形状为长方形和圆形预测值的平均绝对百分比误差分别为3.03%和8.06%,结果表明改进的Elman网络对于脱粘损伤具有较好的预测精度。

飞机积冰局部脱粘现象超声回波探测

热冲击会导致飞机蒙皮表面冰层局部碎裂和脱粘,针对目前无法有效测量冰层脱粘程度的问题,提出采用非接触超声脉冲回波技术对冰层脱粘程度进行评估。首先,采用PZFlex软件建立了包含超声传感器、飞机蒙皮与冰层的二维模型,研究了冰层内部裂缝及冰/蒙皮界面脱粘区域尺寸对冰层超声脉冲回波信号影响规律,初步获得了冰层局部脱粘超声评估方法;其次,基于LabVIEW软件搭建了由加热控制模块、温度采集模块、超声信号发生及采集模块组成的地面冷环境实验平台,通过电加热膜产生热冲击造成冰层局部区域脱粘,验证了提出的冰层局部脱粘超声评估方法的可行性。在电加热功率密度为1.6 W/cm2的作用下,铝板-冰层界面温度由-24℃升至-4℃时,探测区域内脱粘面积达到62.8%以上。结果表明,采用非接触式超声脉冲回波技术可以有效评估探测区域内冰层局部脱粘程度。该方法可用于评估飞机除冰系统工作时冰层脱粘面积,为除冰控制系统提供可靠状态信息。

可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控

调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。

基于超声能量特征的复合结构材料脱粘检测方法

针对受限于复合结构的厚度、层数、材料种类等因素导致超声回波信号混叠,难以实现界面脱粘检测的问题,提出一种直接利用超声纵波反射混叠信号的能量特征进行复合结构脱粘缺陷检测的方法。首先建立单层与多层复合结构的超声信号反射与透射特性模型;然后提取并分析不同界面粘接状态下结构的超声回波能量特征,并基于该模型进行钢-橡胶-橡胶复合结构的脱粘检测仿真,通过引入能量差异值进行脱粘界面识别;最后,利用超声波探伤设备对钢-橡胶-橡胶复合结构试样进行实际脱粘缺陷检测。理论分析和实验验证均表明,该方法可以实现多层复合结构脱粘缺陷的有效检测。

铝面板泡沫夹芯结构材料脱粘缺陷的超声脉冲多次反射法检测

针对铝面板泡沫夹芯结构材料脱粘缺陷的检测问题,开展了超声脉冲多次反射法检测技术研究。分析了超声脉冲多次反射法的检测原理,制作了人工模拟缺陷试样,进行了自动检测C扫描成像,通过灰度点数量统计方法分析和优化了缺陷识别的结果。研究结果表明,超声脉冲多次反射法能有效检出铝面板泡沫夹芯结构材料中的脱粘缺陷,为材料研制和质量评估提供依据。

基于振动测量的热防护结构脱粘损伤检测方法

针对典型飞行器热防护结构脱粘损伤现场快速无损检测的需求,提出了一种基于敲击测量频响函数的脱粘损伤识别方法。首先,利用有限元方法建立了含脱粘损伤的热防护结构有限元模型并进行了振动特性分析,分析了脱粘损伤引起的结构局部刚度下降规律以及频响函数对脱粘损伤的敏感性;其次,确定了脱粘损伤识别的特征频率范围,给出了一个脱粘损伤指标;最后,采用力锤与激光多普勒测振仪对含脱粘的热防护结构进行了测量。实验结果表明,当脱粘面积达到60%时,脱粘损伤指标比健康件增加了1倍以上,当脱粘面积达到80%时,脱粘损伤指标为健康件的5倍以上,验证了所提出的方法能够有效识别出热防护结构的脱粘损伤。

基于分布式光纤的蜂窝夹层结构脱粘损伤监测

航空航天蜂窝夹层结构服役环境恶劣,需要发展相应的结构健康监测技术以保证结构的安全运行。脱粘损伤因发生在内部胶层而难以监测,该文采用埋入胶层的分布式光纤传感器对蜂窝夹层结构脱粘损伤进行监测。在预埋损伤监测试验中采用高强光纤和边界浅槽的方式提高传感器存活效率,得到脱粘损伤应变特征。采用参数化建模方式对不同损伤位置进行大量有限元模拟,加入白噪声后得到含有脱粘损伤特征的13500组数据。将模拟数据代入卷积神经网络进行训练,训练后的网络对试验损伤数据的识别准确率达到98.84%。该方法能够识别20 mm^(2)脱粘损伤,同时定位平均误差小于4 mm。

衬胶管道脱粘缺陷超声检测与识别方法研究

针对目前对在役衬胶管道脱粘缺陷缺乏有效检测手段,且检测效率和准确率较低的问题,基于超声脉冲回波法的基本原理,设计了适用于圆柱形衬胶管道超声检测的扫查和探头夹持装置,建立了相应的超声检测试验系统。分析了实际应用中多种干扰因素对超声回波信号的影响,构建了基于一维CNN的超声回波信号二分类模型。通过试验和与传统超声检测缺陷识别方法进行对比,结果表明利用所建立的超声检测系统及一维CNN模型能够在多种干扰因素存在的情况下实现对脱粘缺陷较精确的识别,识别准确率达到96.22%,为在役衬胶管道脱粘缺陷的自动化检测和识别提供了一种有效的方法和手段。

基于超声导波相位延迟的胶接修补结构脱粘监测

胶接修补是修复受损结构的主要手段之一,但修补后的结构在疲劳载荷或极端环境等因素作用下容易再次产生脱粘损伤,从而影响结构的服役安全性。因此,需要对修补结构胶接界面处的脱粘损伤进行有效识别,本文提出了一种基于超声导波相位延迟变化的监测方法,首先采用多频率融合概率加权分布损伤诊断成像算法对脱粘损伤中心位置进行综合定位,然后通过相位延迟损伤因子与路径脱粘长度之间的关系来确定各个含损伤路径的脱粘边缘点,进而勾画出边缘点的凸包络曲线用于脱粘损伤轮廓识别。通过有限元仿真分析验证了该方法对脱粘损伤中心位置和形状识别的准确性,并在复合材料补片修补铝板结构试验件上开展试验进一步证明了该方法的有效性,从而可为胶接修补结构的安全使用评估提供实用的监测手段。

面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性影响分析

面芯脱粘是复合材料夹芯结构常见的损伤形式。本工作综合考虑面芯界面损伤演化、分层屈曲以及分层扩展的耦合作用,建立了深水静压载荷下复合材料夹芯圆柱壳极限承载能力预报方法。基于非线性极限载荷计算方法,通过预制初始缺陷,开展了含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性分析,揭示了典型面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳失效模式及极限承载的影响机理,得到不同面芯脱粘形式、脱粘尺寸、脱粘位置的影响规律。研究发现,随贯穿面芯脱粘长度增加,结构失效模式发生整体屈曲→混合屈曲→局部屈曲演化;外蒙皮/芯层面芯脱粘对含环向贯穿面芯脱粘复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高,内蒙皮/芯层界面脱粘对含纵向贯穿面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高;对于多个局部圆形面芯脱粘,沿纵向分布越集中、沿环向分布越离散,结构极限承载损失率越高。研究成果对面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳的优化设计与可靠性评估具有很好的指导意义。

超导带材涂层结构边缘脱粘后的电磁应力分析

YBCO高温超导带材因其较高的临界转变温度和较强的电流承载能力等优点,在超导技术与应用领域受到了广泛的关注。其应用中出现的常见失效模式之一——“边缘脱粘”问题严重影响了结构的稳定性。基于此,针对超导带材边缘局部脱粘后的电磁力学响应问题展开研究,考虑结构受到垂直于带材表面的外部磁场激励,结合弹性力学平面应变方法,计算了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的奇异积分方程,通过切比雪夫级数进行数值求解,给出了结构内的电磁应力分布。结果表明:在外加磁场作用下,超导薄膜内的正应力与薄膜-基底界面处的切应力在未脱粘区域呈对称分布,在边缘脱粘区域产生应力集中现象。带材边缘脱粘宽度的增加会导致薄膜内正应力增大,进而加剧脱粘边缘的进一步脱粘。基底硬度对结构内应力分布影响显著,硬基底材料对超导薄膜有较强的约束,可有效削减薄膜内正应力值。该文的分析可为高温超导带材的理论研究和实际应用供一定的理论基础。

西北大温差地区钢管混凝土构件温度场及脱粘分析

为研究西北大温差条件下钢管混凝土构件截面温度场变化规律及钢管与核心混凝土界面脱粘情况,选取新疆乌鲁木齐市和青海西宁市典型日平均大气温度,通过温度冲击循环环境模拟试验方法分为12个时间段在大气模拟箱分别进行素混凝土、钢管混凝土构件温度场和钢管混凝土构件脱粘测试试验,分析西北大温差环境钢管混凝土温度场变化和界面结合状态。结果表明:钢管混凝土构件在大温差反复作用下,因材料差异产生的不同步热胀会使钢管与核心混凝土发生界面脱粘现象,温差越大越明显;同一个系列上径向温度变化中,随直径缩小,温度变化越滞后;当大气温度骤降时,钢管对核心混凝土会产生套箍作用,且温度越低,钢管的套箍作用越强。

喷管绝热层局部脱粘分析与验证

某固体火箭发动机喷管的长尾管圆柱段绝热层发生局部脱粘,影响喷管工作性能,存在结构失效风险。针对这一问题,采用超声无损检测方法,确定脱粘区域的位置与大小。结合计算流体动力学数值计算,对存在脱粘的喷管进行流动与传热分析。通过发动机地面点火试验,拆解试验后的喷管,进行分析验证。分析与验证结果表明,喷管内存在一处45 mm×93 mm大小的树状脱粘和一处33 mm×42 mm大小的点状脱粘,两处脱粘环向相距36.5 mm,轴向相距53 mm。试验测得喷管工作过程外壁温度为25℃,与计算流体动力学数值计算结果接近。试验中喷管工作正常,无飞出物,说明小面积非贯穿性局部脱粘对喷管工作性能影响较小。

PVC管道脱粘接头超声柔性相控阵仿真与检测

分析了PVC粘接管件泄漏的原因。针对PVC管道粘接管件脱粘缺陷的检测,采用超声柔性相控阵技术,在CIVA软件中建立声学仿真模型,并仿真柔性相控阵与脱粘缺陷之间的作用,制定了检测工艺。将超声柔性相控阵应用于工程检测后,发现了两处脱粘缺陷信号。

非连续阻抗粘接结构脱粘缺陷的稀布阵列超声成像

无砟轨道是典型的非连续阻抗粘接结构,在重载、环境恶化等因素的影响下,脱粘现象频发,严重危及列车运行安全.本文提出一种高精度阵列超声快速成像方法,建立考虑层间声速差异的非连续阻抗粘接结构声速理论模型,采用射线追踪方法获取声波在介质中的传播路径和时间.基于实数编码设计高自由度稀布阵列,构建稀布阵列合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique,SAFT)成像,提高检测效率.在无砟轨道结构上的实验结果表明:射线追踪方法能够准确计算超声波的传播路径和传播时间,提高检测精度;优化设计的稀布阵列方向图主瓣宽度窄,旁瓣增益低,可提高检测效率和声场指向性;脱粘缺陷成像误差在±5%以内时,稀布阵列SAFT成像方法效率提高了30.9%,可为该类缺陷检测提供理论支撑.

基于反卷积神经网络的超声导波层合板脱粘缺陷超分辨成像

针对传统超声导波成像检测方法难以精确表征结构损伤细节特征的问题,文中提出了基于深度学习的反卷积神经网络模型,对层合板中亚波长脱粘缺陷的超分辨成像问题进行研究,以获得损伤的细节特征。通过有限元仿真与全聚焦成像算法获取初始成像结果,再使用数据增强方法扩充数据库,最后对标注好的12550张损伤图像进行训练和测试。研究结果表明,与原始全聚焦成像算法相比,反卷积神经网络模型下损伤的成像位置准确度提高了5%,成像精度高于91%,定位误差低于1.8 mm,说明文中所提方法能够明显提高网络成像结果分辨率并较好地显现亚波长损伤的细节特征。上述结果表明文中所提方法具有较高的检测效率,且无需人工经验,在工程实践中具有良好的应用价值。

漂浮软管接头破损及粘结面脱粘研究

漂浮软管接头在复杂海洋环境作用下,可能发生钢筋破断、层间脱粘和法兰脱落等,危及油气输运安全。为研究漂浮软管接头破损及粘结面失效行为,以某DN 300漂浮软管为例,利用Rebar单元、Embedded嵌入技术和粘聚力接触模型,构建了漂浮软管接头三维有限元模型,对软管接头在拉伸荷载作用下的力学特性进行研究,并通过有限元分析结果与试验结果的对比验证了数值模拟方法的可行性,进而采用有限元方法分析了漂浮软管接头破损及粘结失效原因。结果表明:①采用Rebar单元和Embedded嵌入技术建立的三维数值模型分析软管接头破损特性是可行的;②软管接头的损伤、脱粘主要是由接头捆扎钢筋破断造成的;③极限轴向拉伸荷载作用下,软管接头的粘结损伤主要发生在距离法兰端面200~672 mm区域,其中570~672 mm区域大部分位置进入完全损伤。研究成果为漂浮软管接头的极限承载设计和泄漏机理研究提供了参考。

热障涂层脱粘裂纹缺陷的高温表征方法与演变规律

热障涂层在服役过程中相邻区域脱粘裂纹的扩展合并是造成陶瓷层最终剥落的重要原因,然而缺乏简单有效的无损测试方法。提出利用空腔高热阻在陶瓷层表面局部热积累,形成表面亮斑的特点,通过亮斑反向跟踪脱粘缺陷的新方法。结果表明,在界面处制备水溶性盐斑,继续喷涂陶瓷层后用水浴溶解的方式可在YSZ与金属粘结层界面有效预制特定外形与尺寸的人造脱粘裂纹缺陷;预制脱粘裂纹与表面高温亮斑尺寸呈正相关,且近似呈现为比例系数为1.031的线性关系,当预制裂纹直径大于0.4 mm时,可在涂层表面观测到亮斑,当预制裂纹直径大于0.7 mm时,用亮斑尺寸预测裂纹尺寸的相对误差低于15%;在梯度热冲击循环下,热障涂层随热冲击次数的增加,表面首先出现亮斑,随后亮斑长大、合并,在2500次左右热循环时合并速度加快,最终陶瓷层在亮斑处局部剥落。基于脱粘裂纹对于纵向热流的阻碍作用,提出一种人造脱粘裂纹缺陷的预制方法,并确立一种通过测量表面亮斑尺寸估计内部裂纹尺寸的热障涂层无损测量方法。解决了热障涂层高温缺陷难以实时观测的问题,并进一步研究了其高温演变规律,可为热障涂层的寿命预测提供数据支持。