一种纤维增强树脂基复合材料相控阵超声检测晶片延迟法则优化方法

摘要

一种纤维增强树脂基复合材料相控阵超声检测晶片延迟法则优化方法，属于超声检测技术领域。该方法包括以下步骤：测量试样的密度、纵波声速和弹性刚度矩阵；分别建立材料为各向同性和考虑纤维铺排方向的各向异性超声检测模型；利用各向同性模型计算相控阵超声检测晶片延时，获得实际检测所用晶片延迟法则；基于各向异性模型计算对应的晶片延时，实现对上述晶片延迟法则的优化。本方法在声学建模基础上提出了纤维增强树脂基复合材料相控阵超声检测晶片延迟法则优化方法，考虑了材料各向异性对声传播的影响，提高了声束聚焦效果，为研究纤维增强树脂基复合材料中声传播规律、改进检测工艺、提高缺陷检测能力提供支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维增强树脂基复合材料相控阵超声检测晶片延迟法则优 化方法，属于超声检测技术领域。

背景技术

相控阵超声检测具有检测灵敏度高、检测效率高、可成像记录等优点，已广 泛应用于纤维增强树脂基复合材料试件质量检测。其关键在于控制各压电晶片的 延时，以电子方式控制声束的偏转或聚焦，进而在被检区域内获得良好的检测效 果。这对于探头与检测位置有一定水平距离、声束倾斜入射进入试件的情况十分 有益。然而，现有的检测仪器都将检测材料默认为各向同性介质，从而计算晶片 的延时法则。这对于层板状纤维增强树脂基复合材料试件并不合适，原因在于材 料的弹性各向异性会显著影响超声波的传播，进而影响声束的偏转和聚焦，降低 检测的定量、定位精度。因此，必须根据其固有的材料属性和弹性特性对晶片的 延时法则进行优化，才能提高缺陷检测效果。

发明内容

本发明提出一种纤维增强树脂基复合材料相控阵超声检测晶片延迟法则优 化方法。本发明旨在优化相控阵超声检测的晶片延迟法则，为研究纤维增强树脂 基复合材料中声传播规律、改进检测工艺、提高缺陷检测能力提供支持。

本发明的技术方案如下：

(1)测量试样的材料属性

针对层板状纤维增强树脂基复合材料试样，利用阿基米德法测量其密度，利 用直接接触法、使用脉冲反射技术(所用探头为与(2)中相控阵超声线性阵列 探头主频一致的常规超声探头)测量垂直试样表面的纵波声速，利用自参考体波 法测量与上述试样材料工艺相同且铺向角均为0度角的单向带的弹性刚度矩阵。 对层板状纤维增强树脂基复合材料试样进行解剖、打磨、抛光，通过金相显微镜 观察试样不同铺层的微观组织、纤维取向特征，测量铺层厚度，统计铺层数目及 铺向角排布规律。

(2)建立超声检测模型

根据层板状纤维增强树脂基复合材料试样尺寸，在CIVA软件中建立对应模 型。

根据检测所用相控阵超声线性阵列探头规格参数(包括探头晶片数量、晶片 间距、始发信号的主频、频带宽度和相位)和实际的检测参数(包括扫查方式、 孔径大小和聚焦深度)，在CIVA软件进行相应设置。

由于实际相控阵超声检测中均将材料视为各向同性，所以首先建立各向同性 模型。根据测得的密度和纵波声速设置材料参数。

为进行后续的延迟法则优化，考虑不同铺层纤维铺向的影响，建立各向异性 模型。首先将0度角取向纤维、树脂等多相进行等效处理为单一相，并赋予相应 的弹性刚度矩阵，其他铺层按(1)中观察的铺向角排布规律设置铺层旋转角度。

(3)计算延迟法则

利用(2)中各向同性模型计算延迟法则。延迟法则计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{t}_n=\frac{d_{n0}}{v_0}+\frac{d_{n1}}{v_1}\\ {\mathrm{\Delta t}}_n=max\left(t_n\right)-t_n\end{array}\right)$

其中n为阵元序号，t_n为第n个阵元所激励的声波传播至聚焦位置时所用的时间， Δt_n为第n个阵元的延迟时间，d_n0和d_n1分别为第n个阵元所激励的声波传播至聚 焦位置时在耦合介质和试样内的传播距离，v₀为超声在耦合层内的纵波声速，v₁为(1)中测得的纵波声速。

(4)优化延迟法则

根据(2)中各向异性模型优化延迟法则，优化延迟法则的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{t}_n=\frac{d_{n0}}{v_0}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{d_{ni}}{v_{ni}\left({\theta }_i\right)}\\ \Delta t_n=max\left(t_n\right)-t_n\end{array}\right)$

此处公式中m为(1)中统计的铺层数目，d_ni为第n个阵元所激励的声波传播至 聚焦位置时在第i个铺层的传播距离，v_ni(θ_i)为由(1)中测得的弹性刚度矩阵计 算得到的第i个铺层内θ_i方向上的纵波声速，θ_i为第i个铺层内声传播路径与垂 直铺层方向的夹角。

本发明的优势在于：考虑了材料各向异性对声传播的影响，优化了相控阵超 声检测在纤维增强树脂基复合材料中的晶片延迟法则，提高了声束聚焦效果从而 得到更准确的检测结果。

附图说明

下面结合附图，以碳纤维增强树脂基复合材料(CarbonFiberReinforced Plastic，CFRP)为实施例对本发明作进一步说明。

图1是CFRP试样的宏观金相照片。

图2是在CIVA软件中建立的各向同性模型示意图。

图3是在CIVA软件中建立的各向异性模型示意图。

图4是延迟法则校正前的CFRP试样中声压分布图。

图5是延迟法则校正前的CFRP试样中缺陷B扫描图。

图6是校正前后的延迟法则。

图7是延迟法则校正后的CFRP试样中声压分布图。

图8是延迟法则校正后的CFRP试样中缺陷B扫描图。

具体实施方式

(1)测量CFRP试样的材料属性

针对厚15mm的层板状CFRP试样，利用阿基米德法测量其密度，结果为 1.56g/cm³；利用直接接触法、使用脉冲反射技术(5MHz常规超声探头)测量垂 直试样表面的纵波声速为2844m/s，利用自参考体波法测量与CFRP试样材料工 艺相同且铺向角均为0度角的单向带的弹性刚度矩阵(单位GPa)为

$\left(\begin{array}{cccccc}121.81& 6.34& 6.34& 0& 0& 0\\ 6.34& 12.84& 6.74& 0& 0& 0\\ 6.34& 6.74& 12.84& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 3.05& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 4.70& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 4.70\end{array}\right)$

再对CFRP试样进行切割、打磨、抛光，通过金相显微镜观察CFRP试样不 同铺层的纤维取向特征，图1为CFRP试样的宏观金相照片，测量铺层厚度为 0.125mm，统计得铺层数目为120层，铺向角排布规律为

(2)建立超声检测模型

在CIVA软件中建立模型，尺寸为100×50×40mm³。

设置探头规格参数和检测参数：相控阵超声线性阵列探头晶片数量32阵元， 晶片间距为0.6mm，始发信号主频为5MHz，频带宽度为80％，相位为0度角， 检测孔径大小为32阵元，聚焦采用单点聚焦方式，聚焦深度为14mm，偏转角度 为30度角，沿缺陷长度方向进行机械扫查。楔块材料为Rexolite，纵波声速为 2360m/s，厚度为23mm。耦合介质为水，纵波声速为1480m/s。

建立各向同性模型：根据(1)中测得的密度和纵波声速设置各向同性模型 中材料的密度和纵波声速，模型示意如图2。

建立各向异性模型：为进行后续的延迟法则优化，考虑不同铺层纤维铺向的 影响，根据(1)中测得的CFRP材料弹性刚度矩阵、铺层厚度和铺向角设置模 型的弹性刚度矩阵、铺层厚度和铺向角，模型示意如图3。

在上述各向同性模型和各向异性模型中设置长10mm的水平裂纹型缺陷作为 后续检测对象，距试样底面1mm。

(3)计算延迟法则

利用(2)中各向同性模型计算延迟法则。延迟法则计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{t}_n=\frac{d_{n0}}{v_0}+\frac{d_{n1}}{v_1}\\ {\mathrm{\Delta t}}_n=max\left(t_n\right)-t_n\end{array}\right)$

其中n为阵元序号，t_n为第n个阵元所激励的声波传播至聚焦位置时所用的时间， Δt_n为第n个阵元的延迟时间，d_n0和d_n1分别为第n个阵元所激励的声波传播至聚 焦位置时在耦合介质和试样内的传播距离，v₀为有机玻璃楔块内的纵波声速，v₁为(1)中测得的纵波声速。对应的CFRP试样中的声压分布图如图4所示，预 设焦点位置(深14mm)处声压幅值为-2.9dB，最大声压处对应深度为2.4mm， 与预设焦点在深度方向上相差11.6mm。对应的缺陷检测B扫描如图5所示，缺 陷深度计算结果为12.3mm。计算得到延迟法则如图6所示。

(4)优化延迟法则

根据(2)中的各向异性模型优化延迟法则，优化法则计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{t}_n=\frac{d_{n0}}{v_0}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{d_{ni}}{v_{ni}\left({\theta }_i\right)}\\ \Delta t_n=max\left(t_n\right)-t_n\end{array}\right)$

此处公式中m为(1)中统计的铺层数目，为120层，d_ni为第n个阵元所激励的 声波传播至聚焦位置时在第i个铺层的传播距离，v_ni(θ_i)为由(1)中测得的弹性 刚度矩阵计算得到的第i个铺层内θ_i方向上的纵波声速，θ_i为第i个铺层内声传 播路径与垂直铺层方向的夹角。计算得到延迟法则如图6所示。该延迟法则下， CFRP试样中的声压分布图如图7所示，预设焦点位置(14mm)处声压幅值为 -1.2dB，最大声压处对应深度为8.9mm，与预设焦点在深度方向上相差5.1mm。 对应的缺陷检测B扫描如图8所示，缺陷深度计算结果为13.9mm。

对比图4和图7可知，利用各向异性模型计算得到的晶片延迟法则使预设焦 点位置的声压幅值提高了1.7dB，声场分布得到明显改善，声束更有效地聚焦于 预设焦点位置；对比图5和图8可知，晶片延迟法则优化后缺陷深度定量误差减 小1.6mm。根据图6中修正结果，可以直接为实际检测过程中延迟法则优化、提 高缺陷定量定位精度提供参考和依据。