碳纤维复合材料孔隙率超声检测与评价技术研究

摘要

碳纤维复合材料广泛应用于各个领域，随着材料结构、工艺的不断发展，传统的超声检测技术在复合材料无损检测中遇到了很多问题，在很多检测场合表现出了很大的局限性，因而需要有新的超声检测方法和理论技术，来满足不断发展的复合材料构件无损检测的需要。本文结合复合材料超声检测的相关基金项目，针对变厚度复合材料孔隙率建模、层状集中孔隙及局部缺陷的识别、背散射信号在复合材料孔隙率检测中的应用、以及编织复合材料缺陷形态和超声检测技术进行研究。
　　第一章阐述了论文的研究背景和意义，对复合材料的主要缺陷类型、孔隙率检测技术以及复合材料超声检测相关的数字信号处理技术进行分析，并介绍了论文的研究内容和章节安排。
　　第二章对现有的碳纤维复合材料孔隙率超声检测的方法进行介绍，分析了这些方法模型的演化过程、现有的研究成果以及各个方法的特点和局限性。
　　第三章基于超声透射法，建立了等厚度层板复合材料孔隙率与超声衰减、材料层数的关系模型，通过已有的标准试块实验数据对模型进行拟合计算，得出了基于模型的孔隙率计算公式。实验结果表明，该模型可用于检测不同层数的等厚度复合材料孔隙率。在此基础上，建立了变厚度层板碳纤维复合材料孔隙率与材料厚度、超声衰减的关系模型，并对模型进行了讨论，该模型适合于大曲率半径工件的检测。最后对超声透射法的优势和局限性进行了讨论，分析了不适合采用超声透射法检测的工件类型和检测场合。
　　第四章对厚板复合材料集中孔隙的识别及局部缺陷的检测技术进行了研究。首先，建立了超声波在层状介质中传播的总反射系数和总透射系数模型，讨论了介质厚度对声波谐振频率的影响，修正了谐振频率的计算公式，分析了总反射系数及谐振频率随层数的变化规律。其次，对厚板复合材料结构噪声特点进行研究，利用结构噪声可以区分出近表面的孔隙和富脂缺陷;对远离近表面的缺陷特征的进行分析，并讨论了孔隙对回波频率成分的影响。最后，通过改进的相关系数法对层状集中孔隙的缺陷波位置进行识别，并通过差分进化算法对回波波形进行还原。
　　第五章针对脉冲反射法检测复合材料孔隙率时信号无底波的现象，对背散射信号进行研究，分析了利用背散射信号进行孔隙率检测的可行性。论述了背散射信号的构成，对背散射信号频谱能量、均值和方差等统计参数与底波衰减量之间的关系进行研究，得出能量和均值与底波衰减的相关性最大。分别采用底波衰减法、背散射信号能量法和背散射信号均值法对复合材料进行C扫成像，结果表明，背散射信号可以反映出底波衰减比较严重的区域，从而可以用于信号无底波的场合对孔隙率进行检测。
　　第六章对编织复合材料的缺陷特征及相关超声检测技术进行研究。首先，分析了编织复合材料的主要缺陷类型及其微观形态特征，并对孔隙形态及其分布特征进行统计分析。其次，对编织复合材料的超声检测技术进行初步探讨，分析了树脂、纤维和孔隙对声波衰减作用的影响。最后，对编织复合材料超声检测实验技术进行研究，采用时频分析技术分析了两种不同复合材料构件的波形特点及相应缺陷特征。
　　第七章对全文工作进行总结，并对接下来的工作做了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 复合材料相关技术综述

1．2．1 复合材料缺陷类型及影响

1．2．2 复合材料孔隙率检测技术

1．2．3 复合材料超声检测的信号处理技术

1．3 论文研究背景与意义

1．3．1 论文研究的背景

1．3．2 论文研究的意义

1．4 论文主要研究内容

2 碳纤维复合材料孔隙率超声检测技术

2．1 引言

2．2 基于衰减理论的孔隙率检测方法

2．2．1 超声衰减法测孔隙率理论分析

2．2．2 实例分析

2．3 基于声速法的孔隙率检测

2．4 基于背散射信号的孔隙率检测

2．5 基于其它方法的孔隙率检测

2．5．1 背散射法

2．5．2 Pitch-Catch法

2．5．3 声阻抗法

2．6 本章小节

3 基于超声透射法的变厚度碳纤维复合材料孔隙率建模

3．1 引言

3．2 等厚度碳纤维复合材料孔隙率建模

3．2．1 模型假设

3．2．2 孔隙率为零时的复合材料衰减系数模型

3．2．3 孔隙率不为零时的复合材料衰减系数模型

3．2．4 试验验证

3．3 变厚度碳纤维复合材料孔隙率建模

3．3．1 模型假设

3．3．2 孔隙率为零时的变厚度复合材料衰减系数模型

3．3．3 孔隙率不为零时的变厚度复合材料衰减系数模型

3．4．4 模型分析

3．4 超声透射法检测复合材料的优势和局限性

3．5 本章小节

4 基于脉冲反射法的厚板复合材料局部缺陷特征分析

4．1 引言

4．2 超声波在层状介质中的传播特性

4．2．1 声波在阻尼介质中的传播

4．2．2 超声波在单层介质中的传播特性

4．2．3 超声波在多层介质中的传播特性

4．2．4 层板碳纤维复合材料反射系数分析

4．3 厚板复合材料的信号特征及缺陷分析

4．3．1 厚板复合材料A扫描信号分析

4．3．2 厚板复合材料近表面缺陷分析

4．3．3 厚板复合材料远离近表面缺陷分析

4．4 厚板复合材料缺陷回波的识别和还原

4．4．1 基于相关系数法的回波位置识别

4．4．2 基于差分进化算法的波形还原

4．5 本章小节

5 基于背散射信号频域分析的复合材料孔隙率检测技术

5．1 引言

5．2 复合材料A扫描信号频域分析

5．2．1 复合材料超声信号频域特征

5．2．2 背散射信号组成分析

5．2．3 背散射信号频谱分析

5．2．4 探头对背散射信号的影响

5．3 基于背散射信号的复合材料C扫描分析

5．3．1 试验材料与方法

5．3．2 薄板复合材料C扫描图像分析

5．4 本章小节

6 编织复合材料缺陷特征及超声检测技术

6．1 引言

6．2 碳纤维编织复合材料缺陷及孔隙形态研究

6．2．1 编织复合材料性能和特点

6．2．3 编织复合材料缺陷分析

6．2．3 孔隙的统计特征

6．3 碳纤维编织复合材料超声检测技术

6．4 碳纤维编织复合材料超声检测实验研究

6．5 本章小节

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(录用)的论文和参与的课题