CFRP材料R区曲面阵列探头超声检测研究

摘要

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)材料在航空领域的使用量逐渐增加，其构件形状也变得复杂。但在其制备和加工过程中又不可避免会产生缺陷，尤其在R区内，这会严重影响CFRP材料构件的使用性能。相控阵超声检测技术具有声束可控、检测效率高、精度高、成像直观等优点，对CFRP材料的缺陷检测有着更明显的优势。曲面阵列探头相较于通常的线性阵列探头，有着自然几何聚焦、可保证声束垂直入射进入R区等特点，在检测R区时有较多优势。本文针对CFRP材料R区，采用模拟和实验相结合的研究方法，探究曲面阵列探头检测R区缺陷的定位定量能力。主要研究内容如下:
　　1.对实际CFRP材料T形梁制件中R区的金相显微组织进行分析，构建CFRP材料R区相控阵超声检测模型。根据CFRP材料平板中线性阵列探头偏转聚焦的聚焦声场模拟结果，发现声束大角度斜入射检测时能量衰减严重，当声束垂直表面入射时，聚焦效果好，能量损失小，更有利于缺陷检测;
　　2.基于上述超声检测模型，利用标称频率为5MHz的曲面阵列探头，开展不同检测参数下的聚焦声场和缺陷检测模拟研究。结果表明:(1)孔径阵元数为4时，不同聚焦深度下的声束在水中出现伪聚焦，R区内声束在1.5mm位置呈现收窄的现象，声束宽度基本一致，聚焦深度对聚焦声场的影响较小;(2)聚焦深度为25mm时，孔径阵元数为3、4、5、6时的声束能量随孔径增加而提高，且焦柱变短，聚焦能力变强，但在R区内的声束会出现“分叉”现象，孔径阵元数为4时的聚焦声场较为理想;(3)不同聚焦深度、孔径条件下的缺陷定量检测结果基本相同，其中，轴向长度、深度定量结果与预设值吻合较好，周向长度的定量结果偏差较大，可能与模型计算过程中的近似处理有关。对于预埋深度为0.5mm的缺陷，易出现缺陷回波与表面波混叠的情况，可进一步通过优化探头频率得到改善;
　　3.应用曲面阵列探头，对预埋有不同深度和轴向长度缺陷的CFRP材料R区试块进行检测。不同聚焦深度和孔径的定量结果基本相同，深度定量结果与预设基本相同，轴向长度和周向长度定量结果大于缺陷预设尺寸。经解剖轴向长度和周向长度均为3mm，深度为1.5mm的缺陷，确认检测定量结果较大是缺陷制造误差导致的，验证了实验检测结果的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 CFRP材料超声检测概述

1．2．1 CFRP材料及其应用

1．2．2 CFRP材料的常规超声检测

1．2．3 相控阵超声检测概述

1．2．4 CFRP材料相控阵超声检测数值模拟研究现状

1．2．5 CFRP材料相控阵超声检测实验检测研究现状

1．3 本文研究内容

2 相控阵超声检测原理

2．1 相控阵超声探头声场计算

2．2 聚焦法则的计算

2．3 超声波在各向异性介质的传播

2．4 声线示踪原理

2．5 本章小结

3 CFRP材料R区曲面阵列声学模拟

3．1 R区建模

3．1．1 R区组织观察

3．1．2 超声检测模型建立

3．2 R区检测难点分析

3．3 曲面阵列的聚焦声场模拟

3．3．1 探头频率的选择

3．3．2 聚焦深度对聚焦声场的影响

3．3．3 探头孔径对聚焦声场的影响

3．3．4 聚焦深度对缺陷检测的影响

3．3．5 探头孔径对缺陷检测的影响

3．3．6 不同深度缺陷检测模拟结果

3．4 本章小结

4 CFRP材料R区曲面阵列检测

4．1 实验仪器及样品

4．2 聚焦深度对缺陷检测的影响

4．3 孔径对缺陷检测的影响

4．4 解剖验证

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢