專利名稱：厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理與檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理與檢測方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、耐疲勞、可設(shè)計性等優(yōu)點，有利于航空飛行的減重，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。樹脂基層合板在物理性能上的各向異性、聲衰減嚴(yán)重等特點使其在無損檢測方面與傳統(tǒng)金屬材料存在區(qū)別，如何進行復(fù)合材料內(nèi)部的質(zhì)量控制成為無損檢測領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。有限單元法是計算力學(xué)中的一種重要的方法，是現(xiàn)代科學(xué)和工程計算方面最令人鼓舞的重大成就之一。作為一種具有理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析方法，有限元法可用于解決聲學(xué)領(lǐng)域無法應(yīng)用解析方法求解的問題。另外，對于結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的復(fù)雜問題，有限元方法也能有效解決。動力學(xué)有限元模型可對樹脂基層合板中超聲導(dǎo)波的傳播過程進行研究，實現(xiàn)了對接收信號的有效預(yù)測，從而實現(xiàn)樹脂基層合板內(nèi)缺陷的模型化測量。 相對于傳統(tǒng)的超聲體波檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波具有衰減小、傳播速度快、對材料表面和內(nèi)部都敏感以及可進行逐線掃描的特點，在大型構(gòu)件和復(fù)合材料板殼的無損檢測中有良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外學(xué)者對單層各向同性材料和單層各向異性材料中的導(dǎo)波傳播規(guī)律及其缺陷的導(dǎo)波檢測已經(jīng)開展了大量研究，而對層合板中的導(dǎo)波研究并不多，這是由于復(fù)合板的分層結(jié)構(gòu)和各單層的各向異性特點使得導(dǎo)波的傳播情況變得十分復(fù)雜，而且特征方程的數(shù)值解不易收斂，對求解造成了很大困難。多層復(fù)合材料中導(dǎo)波傳播特性的建模和分析是超聲導(dǎo)波研究領(lǐng)域的難點。研究層合板中的導(dǎo)波傳播特性最主要的方法為傳遞矩陣法和全局矩陣法，傳遞矩陣法因其簡便成為層合板建模中最流行的方法，但是存在大頻厚積時數(shù)值不穩(wěn)定的問題，限制了傳遞矩陣法的應(yīng)用范圍；而全局矩陣法可以不受此類限制，從而更好的求解層合板中導(dǎo)波的傳播特性。層合板的動力學(xué)有限元模型，可以模擬導(dǎo)波在含缺陷復(fù)合板中的傳播過程，預(yù)測層合板各點處的導(dǎo)波信號，從而可作為實際檢測的基準(zhǔn)參考信號量化檢測缺陷的大小和位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波檢測方法。本發(fā)明的檢測原理是通過動力學(xué)有限元模型對層合板各點處的導(dǎo)波信號進行預(yù)測，評估缺陷信息。最終提出根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果采用導(dǎo)波優(yōu)化激勵技術(shù)抑制導(dǎo)波頻散效應(yīng)和模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)的檢測方法。采用IMHz低頻段窄帶調(diào)制正弦信號，在試件激勵區(qū)域施加對稱模式和反對稱模式導(dǎo)波激勵條件。超聲導(dǎo)波動力學(xué)有限元模型可以預(yù)測層合板內(nèi)任意點處的超聲導(dǎo)波信號，從接收信號中可以提取出缺陷反射回波信號，從而可以分析得到厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的尺寸和位置信息。利用復(fù)Gaussian小波變換提取缺陷反射信號的傳播時間和包絡(luò)信息。其特征在于根據(jù)超聲導(dǎo)波動力學(xué)有限元模型的預(yù)測接收換能器的接收信號，根據(jù)缺陷反射回波信號的到達時間和包絡(luò)峰值結(jié)合樹脂基層合板內(nèi)超聲導(dǎo)波的傳播速度特性，反推出缺陷的位置和尺寸。根據(jù)樹脂基層合板導(dǎo)波理論頻散曲線調(diào)整斜探頭角度，使激勵出的導(dǎo)波頻厚積小于2. 5MHz-mm。本發(fā)明的優(yōu)點在于，過模型研究厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理及其中傳播的超聲導(dǎo)波與缺陷的作用機理，提出了基于動力學(xué)有限元模型的厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷超聲導(dǎo)波檢測方法。為準(zhǔn)確預(yù)測缺陷信號，所建立的有限元模型中加入了復(fù)合板的衰減模型，并同時采用優(yōu)化導(dǎo)波激勵技術(shù)抑制導(dǎo)波頻散效應(yīng)和模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)，提高了檢測方法的精度。采用分層Rayleigth阻尼模型對厚度突變的樹脂基層合板對超聲導(dǎo)波衰減特性建模。
四

圖1含缺陷樹脂基層合板2維有限元模型示意2樹脂基層合板中超聲導(dǎo)波相速度頻散特性3樹脂基層合板中單模式導(dǎo)波激勵4超聲導(dǎo)波信號接收實驗示意圖
五具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細(xì)說明如圖1所示，左邊界為激發(fā)導(dǎo)波的激勵區(qū)域1。在距離激勵區(qū)域dl處設(shè)置檢測點 2，接收直接傳播4和經(jīng)邊界反射5的導(dǎo)波信號，首先在求解時域0 < t < T內(nèi)任何時刻都應(yīng)滿足運動方程的要求，代之以僅在相隔Δ t的離散時間點上滿足運動方程；然后采用差分格式建立由t時刻運動狀態(tài)成、么、at 計算t+ Δ t時刻運動狀態(tài)錢+Δ 、的公式。超聲導(dǎo)波動力學(xué)有限元時變差分格式為
權(quán)利要求
1.一種厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理與檢測方法，其特征在于將動力學(xué)方法和有限元方法結(jié)合用于厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播建模，通過動力學(xué)有限元模型對層合板各點處的導(dǎo)波信號進行預(yù)測，評估缺陷信息。最終提出根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果采用導(dǎo)波優(yōu)化激勵技術(shù)抑制導(dǎo)波頻散效應(yīng)和模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)的檢測方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力學(xué)有限元模型，其特征在于將動力學(xué)方法和有限元方法結(jié)合用于厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播建模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)波優(yōu)化激勵技術(shù)，其特征在于采用IMHz低頻段窄帶調(diào)制正弦信號，在試件激勵區(qū)域施加對稱模式和反對稱模式導(dǎo)波激勵條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度突變的樹脂基層合板阻尼模型，其特征在于采用分層 Rayleigth阻尼模型對厚度突變的樹脂基層合板對超聲導(dǎo)波衰減特性建模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度突變的樹脂基層合板中超聲導(dǎo)波傳播機理，其特征在于利用復(fù)Gaussian小波變換提取缺陷反射信號的傳播時間和包絡(luò)信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波檢測方法，其特征在于根據(jù)超聲導(dǎo)波動力學(xué)有限元模型的預(yù)測接收換能器的接收信號，根據(jù)缺陷反射回波信號的到達時間和包絡(luò)峰值結(jié)合樹脂基層合板內(nèi)超聲導(dǎo)波的傳播速度特性，反推出缺陷的位置和尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)，其特征在于根據(jù)樹脂基層合板導(dǎo)波理論頻散曲線調(diào)整斜探頭角度，使激勵出的導(dǎo)波頻厚積小于2. 5MHz-mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理與檢測方法。本發(fā)明采用有限元方法建立了厚度突變的樹脂基層合板的動力學(xué)有限元模型，通過模型研究厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的超聲導(dǎo)波傳播機理及其中傳播的超聲導(dǎo)波與缺陷的作用機理，提出了基于動力學(xué)有限元模型的厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷超聲導(dǎo)波檢測方法。超聲導(dǎo)波動力學(xué)有限元模型可以預(yù)測層合板內(nèi)任意點處的超聲導(dǎo)波信號，從接收信號中可以提取出缺陷反射回波信號，從而可以分析得到厚度突變的樹脂基層合板內(nèi)缺陷的尺寸和位置信息。為準(zhǔn)確預(yù)測缺陷信號，所建立的有限元模型中加入了復(fù)合板的衰減模型，并同時采用優(yōu)化導(dǎo)波激勵技術(shù)抑制導(dǎo)波頻散效應(yīng)和模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)，提高了檢測方法的精度。
文檔編號G01N29/44GK102288683SQ20111011360
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者周世圓, 孟凡武, 張運濤, 徐春廣, 潘勤學(xué), 肖定國, 許寒暉, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學(xué)