CFRP孔隙率超声无损检测研究与系统实现

摘要

论文以工程“内外升降副翼面板孔隙率无损测试技术研究”为依托，围绕碳纡维复合材料（CFRP）孔隙率定量测试，探讨了复合材料孔隙率超声无损测试技术及有关问题，进行了碳纤维复合材料孔隙率便携式超声智能检测系统的研制，给出了其系统实现。 第一章，绪论。简单介绍了超声学、超声无损检测以及超声信号处理技术，并从课题研究的社会背景和项目背景出发，指出了课题研究的意义及碳纤维增强复合材料孔隙率无损检测的重要性与存在的问题，引入了课题的主要研究内容。 第二章，碳纤维复合材料孔隙率超声测试技术研究。首先，介绍了复合材料的基本知识及其缺陷类型，探讨了复合材料孔隙率定量检测的重要性和必要性，指出：①孔隙缺陷是复合材料重要缺陷类型之一，完全没有孔隙的纤维增强复合材料是不存在的；②孔隙形状大小、含量多少对复合材料的物理、机械性能存在着重要的影响；③先进复合材料在高技术领域的应用，必要对复合材料孔隙率进行定量检测。其次，对复合材料孔隙率的传统测试方法和超声检测的有关理论研究进行了回顾和分析，指出：①破坏性孔隙率测试方法工序繁琐，成本较高，且不能满足现场实时检测的需要；②复合材料孔隙率超声测试方法是一种非常有效和实用的方法，可以满足现场实时检测的需要；③孔隙率测试理论的完善和发展有必要考虑孔隙自身的形态和分布特征与孔隙含量之间的关系。再次，利用显微照相分析系统，对复合材料孔隙形状和统计分布特征进行了观察和统计分析，结果表明：①孔隙含量与孔隙形态之间存在着关系，当孔隙率较小时，孔隙多呈圆星，且多发生在富树脂区域，当孔隙率较大时，孔隙呈椭圆形或延纤维方向的拉长形，当孔隙率更大时，孔隙多呈发生在层间的较大的扁平形；②孔隙的长度、面积尺寸在观察平面内近似服从对数正态分布，孔隙的宽度尺寸（即垂直于层间界面方向尺寸）变化不大。最后，对复合材料孔隙率超声测试进行了理论研究和实测分析：①基于脉冲反射方式建立了含孔隙形态分布特征的复合材料孔隙率超声相对衰减测试模型，并基于理论模型和实测数据建立了孔隙率相对衰减测试公式，对其精度进行了分析，指出超声信号时域幅值相对衰减测试公式可以用于复合材料实际孔隙率测试，并将其二次公式和三次公式进行了比较分析，结果显示二次公式可以代替三次公式，精度差别较小，而计算更为简单方便；②基于频谱技术和实测数据，对复合材料孔隙率测试进行了频域辅助分析，发现超声信号频率偏移与复合材料孔隙率近似存在着线性关系，可用超声信号相对频率偏移进行 复合材料孔隙率的计算分析。同时，发现超声信号衰减与频率偏移之间近似存在着1.726次方指数关系，其与实测衰减数据之间误差精度介于频率偏移和相对衰减关系的二次拟合公式与三次拟合公式之间。 第三章，基于人工免疫算法的孔隙率超声测试信号缺陷预处理。针对复合材料其他缺陷影响孔隙率定量检测的精度，提出了复合材料孔隙率检测缺陷预处理技术。①超声信号缺陷预处理属于现代信号处理技术范畴，文中首先介绍了超声缺陷检测现代信号处理技术，然后基于免疫系统原理，引入了人工免疫系统模式识别算法，并对算法进行了分析；②基于生物免疫系统超变异特性，设计了人工免疫系统超变异模式识别算法，并对算法进行了分析；③利用人工免疫系统模式识别算法和超变异模式识别算法，对于过多孔隙形成的疏松缺陷进行了识别预处理，结果表明人工免疫系统模式识别算法是可行的，并且超变异模式识别算法的识别收敛速度要明显优于普通人工免疫系统模式识别算法。 第四章，基于粒子群优化算法的孔隙率超声测试信号参数估计。针对复合材料孔隙率检测所需要的超声信号特征参数，引入了粒子群超声信号参数估计算法。①文中首先对超声信号参数估计的传统方法进行了回顾和分析，指出了其特点和局限性；②基于超声信号射频模型和最小二乘参数估计器，引入了粒子群超声信号参数估计方法，并对算法的收敛特性和参数选取进行了分析；③结合超声信号参数估计特点，设计了含阈值限制的粒子群超声信号参数估计方法，并对算法进行了分析，结果表明粒子群优化算法可用于超声信号的参数估计，从总体上看粒子群优化算法对于信号的随机噪声干扰不是非常敏感，并且含阈值限制的粒子群参数估计算法（粒子群阈值优化算法）精度略高，并可降低参数估计实际计算量。 第五章，碳纤维复合材料孔隙率测试便携式智能超声检测系统的研制。对碳纤维复合材料孔隙率超声测试技术进行了系统实现，设计了便携式超声C扫描检测系统。①开发设计了便携式超声检测系统的硬件系统，设计制作了便携式手持架，改造制作了光电式位置传感器；②编码完成了便携式超声检测系统的软件系统，应用了模块化和分层式软件设计思想和数据可视化技术，在便携式系统上实现了超声C扫描功能。 第六章，结论与展望。对论文全文的工作进行了总结，指出了存在的不足，并对将来进一步的工作做出了展望。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章碳纤维复合材料孔隙率超声无损检测

第三章基于人工免疫算法的孔隙率超声测试信号缺陷预处理

第四章基于粒子群优化算法的孔隙率超声测试信号参数估计

第五章碳纤维复合材料孔隙率便携式智能超声检测系统研制

第六章总结与展望

参考文献

附录

致谢