航空复合材料层压板钻孔分层缺陷相控阵检测方法研究

摘要

复合材料作为当今时代重要的新型材料，被广泛地应用于航空、航天、军工等诸多重要领域，但它特有的层间结构使其在钻削加工和在役使用过程中钻孔周围易产生分层缺陷，该损伤的产生对复合材料结构件的承载能力和疲劳强度有很大的影响，然而传统的无损检测技术分辨力低，难以发现微小分层缺陷的产生，因此针对复合材料钻孔分层缺陷损伤探索一种可靠且高分辨力的检测方法尤为重要。基于超声相控阵阵列采集的全矩阵数据采集(Full Matrix Capture,FMC)技术可以捕获完备的缺陷信息，并通过全聚焦成像(Total Focusing Method,TFM)的方法将检测信息完全恢复，因此可以极大化的提升缺陷特征的表征能力，对分层钻孔分层缺陷具有极高的检测分辨力。
　　本文首先从钻孔分层缺陷的产生机理以及国内外对其检测常用的方法和研究现状入手，采用数学建模的方法建立了声场模型，用数值仿真的方法对各自的声场特性进行了研究。通过研究阵元宽度、阵元间距、阵元数以及聚焦深度的变化对声场的影响规律发现，阵元宽度的变化直接影响旁瓣效应；阵元间距的变化对栅瓣效应影响较大；一定聚焦深度条件下，随着阵元数增多声束带宽变窄，声束指向性增强，但是聚焦深度过小时不宜激发阵元数过多，容易导致旁瓣的产生；相同的激发阵元数条件下，聚焦深度越大，声束指向性越佳。此研究为后续超声相控阵检测参数的优化选择提供了理论依据。
　　其次，基于全矩阵数据采集模型和全聚焦成像理论，分别通过仿真和实验实现了碳钢中横通孔的全聚焦成像检测，并在此基础上根据阵列性能指标(Array Performance Indicator,API)的定义考察了阵列有效孔径变化对成像质量的影响规律，实验结果表明，增加阵元数或增大阵元间距都可以提升成像质量，其中阵元数不变增加阵元间距可以在运算时间不增加的条件下明显改善成像效果。
　　之后，开展了复合材料层压板钻孔分层缺陷相控阵成像检测的实验研究。搭建常规相控阵实验平台，首先在优化参数选择的研究基础上确定了针对复合材料分层缺陷检测最优检测参数的区间范围。然后，构建了全矩阵数据实验采集系统，确定实验检测的参数，将全聚焦成像检测结果与优化的常规相控阵成像检测结果相比较发现，全聚焦成像检测技术相比较常规超声相控阵检测对分层缺陷的分辨力有显著优势，且能够很全面的表征缺陷特征。
　　最后，利用时域有限差分法模拟了碳纤维复合材料中距离底面不同深度的分层缺陷，分别对其进行超声相控阵全矩阵数据采集。全聚焦成像结果表明，该技术对碳纤维分层缺陷距离底面的分辨能力最大为0.3mm，对于距离小于0.3mm的分层缺陷，虽然成像结果显示分层缺陷与底面无法分离，但出孔处图像显示有上翘的趋势。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 超声相控阵理论基础及声场特性研究

2.2 阵列换能器声场原理和特性

2.3 阵列换能器声场指向性

2.4 相控阵工作原理

2.5 超声相控阵的声场仿真及优化

2.6本章小结

第3章 超声相控阵全聚焦成像方法研究

3.1 全矩阵采集模型及其采集设备

3.2 全聚焦成像算法

3.3 阵列性能指标

3.4 阵元有效孔径

3.5 本章小结

第4章 钻孔分层缺陷超声相控阵检测方法的研究

4.1 复合材料层压板钻孔分层缺陷相控阵检测及参数优化

4.2 复合材料层压板钻孔分层缺陷全聚焦成像检测

4.3 复合材料层压板钻孔分层缺陷分辨力数值模拟

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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