一種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方 法，屬于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 相控陣超聲檢測具有檢測靈敏度高、檢測效率高、可成像記錄等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用 于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料試件質(zhì)量檢測。其關(guān)鍵在于控制各壓電晶片的延時(shí)，以電子方 式控制聲束的偏轉(zhuǎn)或聚焦，進(jìn)而在被檢區(qū)域內(nèi)獲得良好的檢測效果。這對于探頭與檢測位 置有一定水平距離、聲束傾斜入射進(jìn)入試件的情況十分有益。然而，現(xiàn)有的檢測儀器都將檢 測材料默認(rèn)為各向同性介質(zhì)，從而計(jì)算晶片的延時(shí)法則。這對于層板狀纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù) 合材料試件并不合適，原因在于材料的彈性各向異性會顯著影響超聲波的傳播，進(jìn)而影響 聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，降低檢測的定量、定位精度。因此，必須根據(jù)其固有的材料屬性和彈性 特性對晶片的延時(shí)法則進(jìn)行優(yōu)化，才能提高缺陷檢測效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出一種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方 法。本發(fā)明旨在優(yōu)化相控陣超聲檢測的晶片延遲法則，為研究纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中 聲傳播規(guī)律、改進(jìn)檢測工藝、提高缺陷檢測能力提供支持。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] ⑴測量試樣的材料屬性
[0006] 針對層板狀纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料試樣，利用阿基米德法測量其密度，利用直 接接觸法、使用脈沖反射技術(shù)（所用探頭為與（2)中相控陣超聲線性陣列探頭主頻一致的 常規(guī)超聲探頭）測量垂直試樣表面的縱波聲速，利用自參考體波法測量與上述試樣材料工 藝相同且鋪向角均為〇度角的單向帶的彈性剛度矩陣。對層板狀纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 試樣進(jìn)行解剖、打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察試樣不同鋪層的微觀組織、纖維取向特征， 測量鋪層厚度，統(tǒng)計(jì)鋪層數(shù)目及鋪向角排布規(guī)律。
[0007] (2)建立超聲檢測模型
[0008] 根據(jù)層板狀纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料試樣尺寸，在CIVA軟件中建立對應(yīng)模型。
[0009] 根據(jù)檢測所用相控陣超聲線性陣列探頭規(guī)格參數(shù)（包括探頭晶片數(shù)量、晶片間 距、始發(fā)信號的主頻、頻帶寬度和相位）和實(shí)際的檢測參數(shù)（包括掃查方式、孔徑大小和聚 焦深度），在CIVA軟件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
[0010]由于實(shí)際相控陣超聲檢測中均將材料視為各向同性，所以首先建立各向同性模 型。根據(jù)測得的密度和縱波聲速設(shè)置材料參數(shù)。
[0011] 為進(jìn)行后續(xù)的延遲法則優(yōu)化，考慮不同鋪層纖維鋪向的影響，建立各向異性模型。 首先將〇度角取向纖維、樹脂等多相進(jìn)行等效處理為單一相，并賦予相應(yīng)的彈性剛度矩陣， 其他鋪層按（1)中觀察的鋪向角排布規(guī)律設(shè)置鋪層旋轉(zhuǎn)角度。
[0012] (3)計(jì)算延遲法則
[0013] 利用⑵中各向同性模型計(jì)算延遲法則。延遲法則計(jì)算公式為：
[0015] 其中η為陣元序號，tn為第η個(gè)陣元所激勵(lì)的聲波傳播至聚焦位置時(shí)所用的時(shí)間， A tn為第η個(gè)陣元的延遲時(shí)間，d η。和d η1分別為第η個(gè)陣元所激勵(lì)的聲波傳播至聚焦位置 時(shí)在耦合介質(zhì)和試樣內(nèi)的傳播距離，％為超聲在耦合層內(nèi)的縱波聲速，^為（1)中測得的 縱波聲速。
[0016] (4)優(yōu)化延遲法則
[0017] 根據(jù)（2)中各向異性模型優(yōu)化延遲法則，優(yōu)化延遲法則的計(jì)算公式為：
[0019] 此處公式中m為（1)中統(tǒng)計(jì)的鋪層數(shù)目，dni為第η個(gè)陣元所激勵(lì)的聲波傳播至聚 焦位置時(shí)在第i個(gè)鋪層的傳播距離，V ni(Q1)為由（1)中測得的彈性剛度矩陣計(jì)算得到的 第i個(gè)鋪層內(nèi)S1方向上的縱波聲速，Θ i為第i個(gè)鋪層內(nèi)聲傳播路徑與垂直鋪層方向的夾 角。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于：考慮了材料各向異性對聲傳播的影響，優(yōu)化了相控陣超聲檢 測在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的晶片延遲法則，提高了聲束聚焦效果從而得到更準(zhǔn)確的 檢測結(jié)果。
【附圖說明】
[0021] 下面結(jié)合附圖，以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)為實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022] 圖1是CFRP試樣的宏觀金相照片。
[0023] 圖2是在CIVA軟件中建立的各向同性模型示意圖。
[0024] 圖3是在CIVA軟件中建立的各向異性模型示意圖。
[0025] 圖4是延遲法則校正前的CFRP試樣中聲壓分布圖。
[0026] 圖5是延遲法則校正前的CFRP試樣中缺陷B掃描圖。
[0027] 圖6是校正前后的延遲法則。
[0028] 圖7是延遲法則校正后的CFRP試樣中聲壓分布圖。
[0029] 圖8是延遲法則校正后的CFRP試樣中缺陷B掃描圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] (1)測量CFRP試樣的材料屬性
[0031] 針對厚15mm的層板狀CFRP試樣，利用阿基米德法測量其密度，結(jié)果為I. 56g/cm3; 利用直接接觸法、使用脈沖反射技術(shù)（5MHz常規(guī)超聲探頭）測量垂直試樣表面的縱波聲速 為2844m/s，利用自參考體波法測量與CFRP試樣材料工藝相同且鋪向角均為0度角的單向 帶的彈性剛度矩陣（單位GPa)為
[0033] 再對CFRP試樣進(jìn)行切割、打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察CFRP試樣不同鋪層的 纖維取向特征，圖1為CFRP試樣的宏觀金相照片，測量鋪層厚度為0. 125_，統(tǒng)計(jì)得鋪層數(shù) 目為120層，鋪向角排布規(guī)律為丨丨45/-45/0/90/0；|s。
[0034] (2)建立超聲檢測模型
[0035] 在CIVA軟件中建立模型，尺寸為100 X 50 X 40mm3。
[0036] 設(shè)置探頭規(guī)格參數(shù)和檢測參數(shù)：相控陣超聲線性陣列探頭晶片數(shù)量32陣元，晶片 間距為0. 6mm，始發(fā)信號主頻為5MHz，頻帶寬度為80%，相位為0度角，檢測孔徑大小為32 陣元，聚焦采用單點(diǎn)聚焦方式，聚焦深度為14mm，偏轉(zhuǎn)角度為