一种基于超声检测的复合材料孔隙率数值评估方法

摘要

本发明属于复合材料及无损检测技术领域，涉及一种基于超声检测的复合材料孔隙率数值评估方法。本发明方法的实现包括：超声换能器、超声检测单元、孔隙率评估建模、孔隙率建库等主要部分。利用已知孔隙率含量的复合材料试块通过测量检测信号得到超声参数，建孔隙率评估模，按照被检测复合材料的种类和成型工艺方法，建立孔隙率数据库，用于建模的复合材料试块相邻孔隙率含量级差范围为0.5%—1.0%。通过选择复合材料孔隙率数据库中的对应材料和工艺类型，实现不同复合材料的孔隙率超声数值评估，并可实时进行孔隙率数值的自动报警、记录、保存等。可用于复合材料工程结构的室内外孔隙率数值评估与检测，且不需要特殊制样，快速高效，无污染。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料与无损检测技术领域，涉及一种基于超声检测的复合材料 孔隙率数值评估方法。

背景技术

随着复合材料在受力结构中的推广应用，在复合材料结构设计和结构制造过程 中，需要对复合材料孔隙率进行检测和评估，防止孔隙率的含量超过设计允许的安 全阈值。目前，在复合材料制造过程中，主要是采用的复合材料孔隙率抽样方法来 间接的推测实际复合材料零件的孔隙率含量：具体的方法是：（1）利用对随炉件的 取样和制样，然后进行金相观察，观察制样断面是否存在空隙，并以此来推测同炉 的复合材料零件是否有孔隙率；（2）利用从复合材料零件切下的边角余量进行制样， 然后进行金相观察，观察制样断面是否存在空隙，并以此来推测复合材料零件是否 有孔隙率。由于复合材料在制作过程中，孔隙率具有十分强烈的随机分布特点，再 加上复合材料自身的强烈离散性，中这两种方法最为显著的不足是，都不能得到实 际复合材料零件中的孔隙率分布，而仅仅是一种基于理论上的工艺等同和工艺质量 严格均匀的假设，与实际情况相差颇远，而且需要特殊制样，周期长，效率低，存 在环境污染，目前在复合材料等工程结构上难以推广应用；（3）利用超声波在复合 材料中的底波衰减变化，进行复合材料孔隙率的评判，采用的主要方法是根据来自 复合材料底波或者穿透复合材料的透射波幅值的降低进行孔隙率粗略的判断，其显 著的不足是，由于影响底波或者透射波幅值变化的因素较多，而且，很多时候，底 波或者透射波幅值的降低不一定是因为孔隙率的存在引起的，容易引起误判，因此， 这种方法在实际应用中也没能得到推广应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种快速高效环保的非破坏性复合材料孔隙率超声数值评 估方法，实现复合材料的孔隙率超声数值评估，提高复合材料孔隙率评估的准确性， 以实现复合材料工程结构的孔隙率超声数值评估。本发明的技术解决方案是，

基于超声检测的复合材料孔隙率数值评估方法的基本构成包括：超声换能器 （1）、超声检测单元（2）、孔隙率评估建模（3）、孔隙率数据库（4），超声换能器 （1）采用适合被检测复合材料零件表面接触耦合或者非接触耦合超声换能器，超声 检测单元（2）采用具有检测信号数字化功能和检测信号显示、检测参数设置、超声 参数计算分析和输出、存储功能的超声检测仪器，超声检测单元（2）的信号数字化 处理的工作频率带宽不低于100MHz，利用超声换能器（1）和超声单元（2）对已 知孔隙率含量的复合材料试块进行超声参数测试，得到已知相同工艺特点和不同孔 隙率级差的复合材料试块的超声参数，利用所测超声参数建复合材料孔隙率评估模， 形成相应的被检测复合材料类型的孔隙率评估模型；建立孔隙率数据库（4）；

复合材料孔隙率评估建模方程求解方法为：

（1）根据已知孔隙率含量的复合材料试块工艺特点和孔隙率试块级差，确定 方程的幂次方n，n一般不大于已知不同孔隙率含量的复合材料试块个数，（2）求 解方程：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}=a_n{x}_{C1}^n+a_{n-1}{x}_{C1}^{n-1}+...+a_0\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}=a_n{x}_{\mathrm{Cn}}^n+a_{n-1}{x}_{\mathrm{Cn}}^{n-1}+...+a_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

这里，a_n,a_n-1,...,a₀为需要求解的孔隙率系数，

V_C1,...,V_Cn分别为n个已知复合材料试块中的孔隙率含量标称值，指单位 体积所含孔隙率个数，以百分数形式表示，

为在第1个已知孔隙率含量的复合材料孔隙率试块中所测超声 参数，由超声单元（2）对第1个已知孔隙率含量的复合材料试块实际测量所得 超声参数，

为在第n个已知孔隙率含量的复合材料试块中所测超声参数， 由超声单元（2）对第n个已知孔隙率含量的复合材料孔隙率试块实际测量所得 超声参数， 通过求解方程（1），计算得到孔隙率系数a_n,a_n-1,...,a₀，用矩阵表示为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_n\\ ...\\ a_0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{ccccc}{x}_{C1}^n& x_{C1}^{n-1}& ...& x_{C1}& 1\\ & & ...& & \\ x_{\mathrm{Cn}}^n& x_{\mathrm{Cn}}^{n-1}& ...& x_{\mathrm{Cn}}& 1\end{array}\right),---\left(2\right)$

则，

$\left(\begin{array}{c}{a}_n\\ ...\\ a_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}\end{array}\right)\times {\left(\begin{array}{ccccc}{x}_{C1}^n& x_{C1}^{n-1}& ...& x_{C1}& 1\\ & & ...& & \\ x_{\mathrm{Cn}}^n& x_{\mathrm{Cn}}^{n-1}& ...& x_{\mathrm{Cn}}& 1\end{array}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

建复合材料孔隙率数据库方法为：

（1）按材料类型建立第1级搜索目录

这里，m为复合材料材料种类数，简称“材料”。

（2）按每种材料目录下的工艺类型建立第2级搜索目录

这里，k为材料1目录下对应的成型工艺种类，简称“工艺”， j为材料m目录下对应的成型工艺种类。

（3）按每种材料目录下的工艺类型建立第3级搜索目录，

这里，为材料m下的第1种工艺的孔隙 率系数，由式（3）求得，只是这里为了区别不同工艺下的孔隙率系数，增加了上角 标1，同理，为材料m下的第j种工艺的孔隙率系数，由式（3）求得， 这里为了区别不同工艺下的孔隙率系数，增加了上角标j。

由超声检测单元（2）根据所设置的检测参数，通过测量来自超声换能器（1） 的检测信号中的界波能量、底波能量、层波能量和传播时间得到超声参数。

用于求解复合材料孔隙率评估建模方程的复合材料孔隙率试块由一组包含不同 孔隙率含量的复合材料试块组成，相邻复合材料试块的孔隙率含量级差范围为0.5% —1.0%，通常不同孔隙率含量的复合材料试块个数取3-10之间。

求解得到的复合材料孔隙率评估建模方程和对应复合材料孔隙率数据库存储在 超声检测单元（2）中，检测时，通过选择复合材料孔隙率数据库中的对应材料和工 艺类型，利用超声换能器（1）和超声检测单元（2）即可实现不同复合材料的孔隙 率超声数值评估。

本发明具有的优点和有益效果，

1.针对复合材料工程结构的孔隙率检测，本发明提出了一种非破坏性的高效 环保复合材料孔隙率超声数值评估方法，利用所建立的复合材料孔隙率数值评估模 型，可以十分方便地实现复合材料整个结构的孔隙率数值评估，并可实时进行孔隙 率数值的自动报警、记录、保存等。从而复合材料工程结构提供了非常有效的高效 快速孔隙率检测方法；

2.利用本发明提出的复合材料孔隙率超声数值评估方法，可以通过手动或者 自动扫描方式对复合材料进行孔隙率超声数值评估，直接获取复合材料实际结构区 的孔隙率数值分布，所得到的检测结果直接反应实际复合材料零件中的孔隙率分布， 而且不需要特殊制样，快速高效，环境无污染，非常容易在复合材料等工程结构上 应用；

3.利用本发明提出的复合材料孔隙率超声数值评估方法，克服了单一地利用 来自复合材料底波或者透射波幅值的降低进行孔隙率粗略的判断时，存在的由于影 响底波或者透射波幅值变化的干扰因素多，容易引起孔隙率评判不准等问题；

4.利用本发明提出的复合材料孔隙率超声数值评估方法，建立不同复合材料 和不同复合材料成型的孔隙率数据库，可以进行复合材料零件的孔隙率数值分析。

附图说明

图1是本发明流程步骤示意图；

图2是本发明孔隙率建库方法示意图；

图3是本发明孔隙率数值评估示意图。

具体实施方式

本发明方法的基本构成包括：超声换能器1、超声检测单元2、孔隙率评估建模 3、孔隙率建库4，如图1所示，通过超声换能器1对复合材料零件5进行扫描，扫 描过程中，由超声检测单元2按照选择孔隙率评估模型对复合材料零件5进行实时 孔隙率数值评估、报警指示、结果保存和孔隙率数值分析等。超声换能器1采用适 合被检测复合材料零件表面接触耦合或者非接触耦合超声换能器，实现超声检测信 号的发射和接收，可以选用中航复合材料有限公司生产的FJ系列高分辨率超声换能 器；超声检测单元2采用具有检测信号数字化功能和检测信号显示、检测参数（包 括厚度、声速、闸门等）设置、超声参数计算分析和输出、存储等功能的超声检测 仪器构成，其信号数字化处理的工作频率带宽至少100MHz，可选用中航复合材料 有限公司生产的MUT系列高分辨率超声检测仪器、CUS系列高分辨率超声自动扫 描检测设备直接构成超声检测单元2；孔隙率评估建模3是针对孔隙率建库4中暂 时空缺的新的复合材料类型，利用超声换能器1和超声单元2对已知孔隙率含量的 复合材料试块进行超声参数测试后，对给出的复合材料孔隙率评估建模方程求解， 形成相应的被检测复合材料类型的孔隙率评估模型；孔隙率建库4是通过软件编程 将已有和新建立的复合材料孔隙率数值评估模型按照给定选择原则进行管理，以便 在进行复合材料孔隙率超声数值评估时选择；复合材料零件5是指实际被要求进行 孔隙率超声检测的复合材料零件。

复合材料孔隙率评估建模方程求解方法是，

（1）根据被检测复合材料材料工艺特点和孔隙率试块级差，确定方程的幂次 方n，对碳纤维树脂基复合材料，n的选择与被检测复合材料的特性与孔隙率评估 准确性、孔隙率级差等要求有关，n一般在1-5内选择，且n一般不大于已知不同孔 隙率含量的复合材料试块个数。

（2）求解方程：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}=a_n{x}_{C1}^n+a_{n-1}{x}_{C1}^{n-1}+...+a_0\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}=a_n{x}_{\mathrm{Cn}}^n+a_{n-1}{x}_{\mathrm{Cn}}^{n-1}+...+a_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

这里，a_n,a_n-1,...,a₀为需要求解的孔隙率系数，

V_C1,...,V_Cn分别为n个已知孔隙率含量的复合材料试块中的孔隙率含量标 称值，是指单位体积所含孔隙率个数，以百分数形式表示，

为在第1个已知孔隙率含量的复合材料试块中所测超声参数， 由超声单元2对第1个已知孔隙率含量的复合材料孔隙率试块实测量得到超声 参数，根据设定的声速、厚度、闸门、增益等工作参数后，由超声单元2对超 声换能器1接收到来自被检测复合材料中的检测信号的入射能量、返回能量、 传播时间进行运算后，直接得到超声参数，

为在第n个已知孔隙率含量的复合材料试块中所测超声参数， 由超声单元（2）对第n个已知孔隙率含量的复合材料孔隙率试块实际测量所得， 可以选用北京航空制造工程研究所ZL201220318356.6和ZL201320020780.7 的中复合材料孔隙率试块，由超声单元（2）直接输出此超声参数，

通过求解方程（1），计算得到孔隙率系数a_n,a_n-1,...,a₀，用矩阵表示为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_n\\ ...\\ a_0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{ccccc}{x}_{C1}^n& x_{C1}^{n-1}& ...& x_{C1}& 1\\ & & ...& & \\ x_{\mathrm{Cn}}^n& x_{\mathrm{Cn}}^{n-1}& ...& x_{\mathrm{Cn}}& 1\end{array}\right),---\left(2\right)$

则，

$\left(\begin{array}{c}{a}_n\\ ...\\ a_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_{C1}\\ ...\\ V_{\mathrm{Cn}}\end{array}\right)\times {\left(\begin{array}{ccccc}{x}_{C1}^n& x_{C1}^{n-1}& ...& x_{C1}& 1\\ & & ...& & \\ x_{\mathrm{Cn}}^n& x_{\mathrm{Cn}}^{n-1}& ...& x_{\mathrm{Cn}}& 1\end{array}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

复合材料孔隙率建库方法是，

（1）按复合材料类型建立第1级搜索目录

这里，m为材料种类数，简称“材料”。

（2）按每种材料目录下的成型工艺类型建立第2级搜索目录

这里，k为材料1目录下对应的成型工艺种类，j为材料m目 录下对应的成型工艺种类，简称“工艺”。

（3）按每种材料目录下的工艺类型建立第3级搜索目录，例如，针对材料m目 录下的j种工艺，孔隙率建库方法为：

这里，为材料m下的第1种工艺的孔隙 率系数，由式（3）求得，只是这里为了区别不同工艺下的孔隙率系数，增加了上角 标1，同理，为材料m下的第j种工艺的孔隙率系数，由式（3）求得， 这里为了区别不同工艺下的孔隙率系数，增加了上角标j。

（4）孔隙率建模流程步骤为：

①进入孔隙率建模模块，判断是否为新材料，如果属新材料，则新建材料目录； 则新建工艺目录；在新建工艺目录保存该孔隙率系数，形成相应的孔隙率评估模型；

②如果不属新材料；选择已有材料目录；判断是否为新工艺；如果属新工艺， 则新建工艺目录；在新建工艺目录下保存该孔隙率系数；

③如果不属新材料；也不属新工艺；则进入所选择材料目录下所选择的工艺目 录；在所选择工艺目录下保存该孔隙率系数，形成相应的孔隙率评估模型，结束孔 隙率建库，参见图2所示。

复合材料孔隙率超声数值评估方法步骤如下，

（1）检测准备

①确定孔隙率超声扫查方式：当对被检测复合材料零件进行孔隙率手工扫查检 测时，超声单元2可选择中航复合材料材料有限责任公司生产的MUT系列高分辨 率超声检测仪器；接通超声单元2；当对被检测复合材料零件进行孔隙率自动扫查 检测时，超声单元2可选择中航复合材料材料有限责任公司生产的CUS系列高分辨 率超声自动扫描检测设备；将超声换能器1与超声单元2连接；进入复合材料孔隙 率超声数值评估工作界面。

（2）检测步骤

如参见图3所示，复合材料孔隙率超声数值评估的步骤如下：

①设置超声检测工作参数（声速、工作频率、厚度、增益、闸门、被检测复合 材料零件的名称、检测日期等）；

②设置孔隙率报警阈值V_T；

③选择孔隙率评估模型；

④利用零孔隙率试样进行孔隙率校对；

⑤进入孔隙率测量工作界面；

⑥移动超声换能器1对被检测复合材料零件5进行扫查；

⑦按选择孔隙率评估模型计算当前检测点孔隙率数值V_Ci；

⑧孔隙率数值缓存、显示（数据或者图像方式）；

⑨当V_Ci>V_T时，报警指示；

⑩是否完成检测，如检测完毕，判断是否结果保存；

如果选择结果保存，则自动检测结果保存设定的工作目录下，结束检测，进 入孔隙率数值分析；

如果选择结果不保存，则结束检测，进入孔隙率数值分析。