CN104316546A - 一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法 - Google Patents
一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,以CT分析技术为基础,通过建立石英纤维增强二氧化硅基复合材料有限结构单元系列密度与CT灰度值的函数关系,实际检测中利用天线罩的CT测试结果来表征天线罩的密度分布和缺陷定位,为天线罩构件中存在的孔洞、局部严重低密度区、以及由织物的密度不均和复合工艺引起的密度梯度等缺陷提供准确的定量分析,本发明对大尺寸天线罩构件内部质量缺陷的准确定位、定性与分析具有重要的工程意义,为天线罩在线无损检测和质量控制提供重要的手段。
Description
技术领域
本发明属于复合材料分析检测技术领域,涉及一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,具体涉及一种石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法。
背景技术
天线罩为回转体大尺寸厚壁结构,且天线罩材料主要为陶瓷基复合材料,如石英纤维增强二氧化硅基复合材料(SiO2f/SiO2)。该材料的制备过程中包括纤维预制体的编织和复合材料致密化的过程,织物编织过程中可能会由于断针、金属碎屑等带来金属夹杂,抑或由于缺纱导致后期材料内部出现宏观孔洞,另外由于织物密度分布不均和复合工艺可能会造成罩体沿厚度和高度方向呈密度梯度分布,因此追踪材料内部质量状况,包括孔洞缺陷、金属夹杂、局部严重低密度区、密度梯度等,对优化工艺过程,获得整罩材料的力学性能和介电性能的分布都具有极其重要的意义。
目前应用于复杂结构复合材料内部质量的无损检测技术主要有X射线无损探伤技术、红外热成像技术、声发射检测技术、计算机层析照相技术(CT)等。X射线无损探伤用于复合材料缺陷的定性分析,对于金属夹杂,孔洞具有良好的检出能力,但对于密度梯度、裂纹等并不敏感(复合材料无损检验方法射线照相.美国军用标准MIL-HDBK-733;纤维增强塑料无损检验方法.国家军用标准,GJB1038);红外热成像技术适合于厚度较薄的复合材料构件缺陷快速检测、在役检测等,可通过与X射线等其他检测技术结合使用来对复合材料中的缺陷进行定量分析,但要求材料或构件表面有较好的热吸收率(Ullmann T.,et al.10th International Conference onQuantitative Infra-Red Thermography(QIRT),Québec(Canada),743-750,2010;梅辉等,复合材料学报,27卷,第6期,106-112,2010);声发射检测技术对材料构件中较大的物理缺陷,如气孔、开裂、分层、脱粘等情况有良好的检出能力,但对于裂纹或者密度梯度这类缺陷检出效果并不好(Cooney A.T.,et al.,Air force research laboratory,Report Number:AFRL-RX-WP-TP-2011-4380,2011);计算机层析照相技术(CT)对于复合材料的裂纹、气孔、夹杂以及密度分度等缺陷均适用,是复合材料构件缺陷无损检测的一个非常有效的方法(王俊山等,宇航材料工艺,28(6):53-56,1998;William H.G.,et al.,Report Number ARL-TR-2400,Weapons and Materials Research Directorate.US:Army ResearchLaboratory,2001.),现有方法对复合材料内部夹杂缺陷和严重低密度区域具有较好的判断(金虎等,发明专利,CN201010543531.7;梅辉等,发明专利,CN200910022596.4),但目前对于大尺寸二氧化硅基复合材料天线罩回转体构件内部质量,尤其是从天线罩预制体到最终产品密度梯度的定量跟踪分析鲜见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,该方法为天线罩构件中存在的孔洞、局部严重低密度区、以及由织物的密度不均和复合工艺引起的密度梯度等缺陷提供准确的定量分析,对大尺寸天线罩构件内部质量缺陷的准确定位、定性与分析具有重要的工程意义,为天线罩在线无损检测和质量控制提供重要的手段。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,包括如下步骤:
步骤(一)、制备一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品,所述一系列标准样品的组成配比与石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的组成配比相同;
步骤(二)、设定CT测试的测试条件,包括电压、电流、像素分辨率、扫描层厚度和扫描间隔,采用CT测试设备对步骤(一)中制备的一系列标准样品的CT灰度值进行测试,得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系;
步骤(三)、沿石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的轴线对天线罩进行分层,采用CT测试设备按照步骤(二)中的测试条件对天线罩进行分层扫描,得到每层的CT灰度分布,即获得每层中各个测试点的灰度值;
步骤(四)、采用CT重构软件将步骤(三)得到的各层中的所有测试点数值进行重新采样和图像合成,获得以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像;
步骤(五)、根据步骤(二)得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系,得到步骤(四)获得的天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度;
步骤(六)、获得天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度梯度值P,具体方法如下:
以天线罩水平层横截面的对称中心为原点O,在水平层横截面上建立平面坐标系OXY,设ρ(x0,y0)为水平层横截面中任意一个测试点A1(x0,y0)对应的密度,ρ(x0+Δx,y0)、ρ(x0,y0+Δy)分别为与点A1(x0,y0)相邻的两个测试点的密度,点A1(x0,y0)与X轴的夹角为θ,根据梯度公式,有:
其中:和分别为点A1(x0,y0)在X方向上和在Y方向上的偏导数,
P为点A1(x0,y0)的密度梯度值;
步骤(六)、对步骤(五)中得到的天线罩每层中的各个测试点的密度梯度值P的绝对值|P|进行判断,若|P|≥0.05,则判断该测试点位于缺陷区域边界上,否则该测试点位于缺陷区域内或正常区域内,连接位于缺陷区域边界上的多个测试点得到缺陷区域。
在上述复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法中,步骤(一)中一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品通过如下方法获得:在石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩制备过程中不同阶段分别取样,得到密度不同的标准样品,最后阶段取样得到的标准样品密度与理想石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩密度相同。
在上述复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法中,步骤(一)中一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品外形尺寸相同。
在上述复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法中,石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩为中空结构,包括中空的回转体结构或中空的盒装结构。
在上述复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法中,石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩包括天线罩预制体、半成品及成品。
在上述复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法中,步骤(六)中若测试点的密度梯度值的绝对值|P|<0.05,则测试点与其相邻点的密度变化越小,处于密度均匀的区域概率越高。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)、本发明以CT分析技术为基础,通过建立石英纤维增强二氧化硅基复合材料有限结构单元系列密度与CT灰度值的函数关系,实际检测中利用天线罩的CT测试结果来表征天线罩的密度分布和缺陷定位,为天线罩构件中存在的孔洞、局部严重低密度区、以及由织物的密度不均和复合工艺引起的密度梯度等缺陷提供准确的定量分析,本发明对大尺寸天线罩构件内部质量缺陷的准确定位、定性与分析具有重要的工程意义,为天线罩在线无损检测和质量控制提供重要的手段;
(2)、本发明通过无损检测,可以对天线罩制备工艺过程进行实时跟踪,对工艺过程中存在的缺陷进行后期工艺干预,提高天线罩的成品率;
(3)、本发明可以对天线罩中包括复合工艺引起的密度梯度、天线罩构件中存在的孔洞、局部严重低密度区、以及由织物的密度不均和等缺陷在内的全部质量缺陷同时进行评价,具有全面、准确、实效的特点;
(4)、本发明通过密度梯度值P对产品缺陷边界进行边缘检测,若P较小,表明该点位于产品密度较均匀的部位或者位于照片背景区域;若P越大,则表明该点相邻区域存在密度落差越大,说明该点可能位于产品内部两密度不均匀区域的边界部位,或者可能位于产品于图像背景区域的边界部位,本发明通过大量试验给出对于石英纤维增强二氧化硅基复合材料天线罩,当P≥0.05判断该点位于缺陷区域边界上,从而利用P值实现对天线罩图像中材料缺陷区域边界进行边缘检测,确定缺陷区域范围。;
(5)、本发明方法为无损检测方法,可在天线罩制备的关键工序,对天线罩进行整罩的CT扫描,通过基于CT结果的天线罩内部质量数值分析平台对天线罩内部缺陷进行定位分析,对天线罩制备工艺质量进行在线跟踪,在后续实验中进行工艺改进或补偿,提高天线罩成品的合格率。
附图说明
图1为本发明实施例中石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系;
图2为本发明实施例中天线罩预制体的CT图片低密度区采样点CT灰度值与密度关系;
图3为本发明实施例中天线罩预制体的CT图片高密度区采样点CT灰度值与密度关系;
图4为本发明实施例中天线罩产品的CT图片高密度区采样点CT灰度值与密度关系;
图5为本发明实施例中天线罩产品的CT图片低密度区采样点CT灰度值与密度关系;
图6为本发明实施例以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
本发明采取标准密度对比法进行天线罩内部质量检测,即通过测定已知密度(标准密度)标准样品的CT灰度值,建立CT灰度值和密度之间的线性关系,测定获得天线罩整罩每一区域内的CT灰度值,通过上述关系式将CT灰度值转化为体密度,由此可得到天线罩整罩的密度分布。
本发明石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,具体包括如下步骤:
步骤(一)、制备一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品,该一系列标准样品的组成配比与石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的组成配比相同,外形尺寸相同。并通过如下方法获得:在石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩制备过程中不同阶段分别取样,得到密度不同的标准样品,最后阶段取样得到的标准样品密度与理想石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩密度相同。
步骤(二)、设定CT测试的测试条件,包括电压、电流、像素分辨率、扫描层厚度和扫描间隔,采用CT测试设备对步骤(一)中制备的一系列标准样品的CT灰度值进行测试,得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系;
步骤(三)、沿石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的轴线对天线罩进行分层,采用CT测试设备按照步骤(二)中的测试条件对天线罩进行分层扫描,得到每层的CT灰度分布,即获得每层中各个测试点的灰度值;
步骤(四)、采用CT重构软件将步骤(三)得到的各层中的所有测试点数值进行重新采样和图像合成,获得以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像。
步骤(五)、根据步骤(二)得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系,得到步骤(四)获得的天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度;
步骤(六)、获得天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度梯度值P,具体方法如下:
以天线罩水平层横截面的对称中心为原点O,在水平层横截面上建立平面坐标系OXY,设ρ(x0,y0)为水平层横截面中任意一个测试点A1(x0,y0)对应的密度,ρ(x0+Δx,y0)、ρ(x0,y0+Δy)分别为与点A1(x0,y0)相邻的两个点的密度,点A1(x0,y0)与X轴的夹角为θ,根据梯度公式,有:
其中:和分别为点A1(x0,y0)在x方向上和在y方向上的偏导数,
P为点A1(x0,y0)的密度梯度值,P>0说明天线罩水平截面上的密度在向圆心的径向方向上减小,P<0说明天线罩水平截面上的密度在向圆心的径向方向上增大;
步骤(六)、对步骤(五)中得到的天线罩每层中的各个测试点的密度梯度值P的绝对值|P|进行判断,密度梯度值|P|反映了图像中某一点相邻两区域的灰度差别,若P较小,表明该点位于产品密度较均匀的部位或者位于照片背景区域;若P越大,则表明该点相邻区域存在密度落差越大,说明该点可能位于产品内部两密度不均匀区域的边界部位,或者可能位于产品图像背景区域的边界部位。对于石英纤维增强二氧化硅基复合材料天线罩,当|P|≥0.05判断该点位于缺陷区域边界上。否则该测试点位于缺陷区域内或正常区域内,连接位于缺陷区域边界上的多个测试点得到缺陷区域。因此利用P值可以对天线罩图像中材料缺陷区域边界进行边缘检测,确定缺陷区域范围。
本发明中石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩为中空结构,包括中空的回转体结构或中空的盒装结构。石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩包括天线罩预制体、半成品及成品。
本发明检测系统主要包括工业CT测试系统(GE HISPEED)以及用于天线罩内部质量三维分析的CT重构软件。工业CT测试系统一般由射线源、探测器系统、机械扫描系统、计算机系统等组成,用于天线罩CT断层扫描原始数据的获取;CT重构软件能够通过CT断层扫描数据进行天线罩的三维重构,用于分析天线罩(包括预制体、半成品及成品)内部质量状态。
实施例1
(1)制备石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品
石英纤维增强二氧化硅基复合材料天线罩成品的密度在1.70~1.90g/cm3范围内,增强体织物的密度在0.90~1.20g/cm3,为确定天线罩材料(包含增强体织物)密度与CT灰度值的数值关系,采用与天线罩制备相同的制备工艺,制备密度分布在0.90~1.90g/cm3范围内的标准样品(包含增强体织物),样品形状均为边长20mm的正方体。
(2)确定测试条件
考虑到标准样品的密度分布,在进行大量试验进行试验参数优化后,选取测试参数如下:电压120±20KV,电流200±60mA,重建矩阵512×512,扫描层厚2mm,扫描间隔2mm。考虑到复合材料的结构和组成,测试采取将标准样品划分为厚度为2mm(层厚)的若干层进行逐层扫描后取每层平均值。
(3)建立材料密度与CT灰度值之间的关系
利用选定的检测条件和制作的不同密度的标准试样,采用CT测试设备按照正常产品的测试工艺进行测试,每个标准样品测试三次。利用标准密度对比法,即通过测定已知密度(标准密度)标准样品的CT灰度值,建立CT灰度值和材料密度之间的函数关系,不同密度的标准样品的CT灰度值见表1,材料密度与CT灰度值的函数关系见图1。
表1
通过数据分析获得材料密度与CT灰度值的函数关系为:
ValueCT=808.9ρ-360.4 (3-1)
其中ValueCT为CT灰度值;ρ为密度;
(4)、沿石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的轴线对天线罩进行分层,采用CT测试设备按照步骤(二)中的测试条件对天线罩进行分层扫描,得到每层的CT灰度分布,即获得每层中各个测试点的灰度值;
(5)、采用CT重构软件将步骤(三)得到的各层中的所有测试点数值进行重新采样和图像合成,获得以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像;如图6所示为本发明实施例以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像。
(6)、设ρ(x0,y0)为水平层横截面中任意一个测试点A1(x0,y0)对应的密度,ρ(x0+Δx,y0)、ρ(x0,y0+Δy)分别为与点A1(x0,y0)相邻的两个点的密度,点A1(x0,y0)与X轴的夹角为θ,根据梯度公式,有:
其中:和分别为点A1(x0,y0)在x方向上和在y方向上的偏导数,
P为点A1(x0,y0)的密度梯度值;
(7)、利用3-1式和3-2式对天线罩CT检测图片进行对比分析。并对天线罩每层中的各个密度梯度分布指数P进行判断,当|P|≥0.05判断该点位于缺陷区域边界上,否则该测试点位于缺陷区域内或正常区域内,连接位于缺陷区域边界上的多个测试点得到缺陷区域。若测试点的密度梯度值|P|<0.05,则测试点与其相邻点的密度变化越小,处于密度均匀的区域概率越高。因此利用P值可以对天线罩图像中材料缺陷区域边界进行边缘检测,确定缺陷区域范围。
a、)天线罩增强体织物内部密度的定量检测。
天线罩增强体预制体的CT扫描图见图2、图3,图2为天线罩预制体的CT图片低密度区采样点CT灰度值与密度关系,CT灰度值为-110,对应密度为0.309g/cm3,图2中示出了水平层横截面上建立的直角坐标系OXY。图3为天线罩预制体的CT图片高密度区采样点CT灰度值与密度关系,灰度值为311,对应密度为0.830g/cm3。光标移动至不同灰度区域上,计算机利用关系式3-1通过CT灰度值计算出相应密度。
b、)天线罩产品内部密度梯度的定量检测。
天线罩产品的CT扫描图见图4~5,图4为天线罩产品的CT图片中相邻两点中高密度采样点的CT灰度值与密度关系,坐标为(266,338),CT灰度值为758,对应密度为1.38g/cm3,密度梯度|P|为0.0987;图5天线罩产品的CT图片中相邻两点中低密度采样点CT灰度值与密度关系,坐标为(267,338),CT灰度值为616,对应密度为1.21g/cm3,密度梯度|P|为0.0277。由图4、5说明坐标(266,338)处于正常区域和缺陷区域的边缘,对照产品CT照片,可以看到该区域有一个密度缺陷点。坐标(267,338)则处于非缺陷区域边界,处于正常区域内。
由于本方法为无损检测方法,可在天线罩制备的关键工序,对天线罩进行整罩的CT扫描,通过基于CT结果的天线罩内部质量数值分析平台对天线罩内部缺陷进行定位分析,对天线罩制备工艺质量进行在线跟踪,在后续实验中进行工艺改进或补偿,提高天线罩成品的合格率。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤(一)、制备一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品,所述一系列标准样品的组成配比与石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的组成配比相同;
步骤(二)、设定CT测试的测试条件,包括电压、电流、像素分辨率、扫描层厚度和扫描间隔,采用CT测试设备对步骤(一)中制备的一系列标准样品的CT灰度值进行测试,得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系;
步骤(三)、沿石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩的轴线对天线罩进行分层,采用CT测试设备按照步骤(二)中的测试条件对天线罩进行分层扫描,得到每层的CT灰度分布,即获得每层中各个测试点的灰度值;
步骤(四)、采用CT重构软件将步骤(三)得到的各层中的所有测试点数值进行重新采样和图像合成,获得以CT灰度数值显示的天线罩整罩三维图像;
步骤(五)、根据步骤(二)得到石英纤维增强二氧化硅复合材料的密度与CT灰度值之间的函数关系,得到步骤(四)获得的天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度;
步骤(六)、获得天线罩整罩三维图像中各个测试点的密度梯度值P,具体方法如下:
以天线罩水平层横截面的对称中心为原点O,在水平层横截面上建立平面坐标系OXY,设ρ(x0,y0)为水平层横截面中任意一个测试点A1(x0,y0)对应的密度,ρ(x0+Δx,y0)、ρ(x0,y0+Δy)分别为与点A1(x0,y0)相邻的两个测试点的密度,点A1(x0,y0)与X轴的夹角为θ,根据梯度公式,有:
其中:和分别为点A1(x0,y0)在X方向上和在Y方向上的偏导数,
P为点A1(x0,y0)的密度梯度值;
步骤(六)、对步骤(五)中得到的天线罩每层中的各个测试点的密度梯度值P的绝对值|P|进行判断,若|P|≥0.05,则判断该测试点位于缺陷区域边界上,否则该测试点位于缺陷区域内或正常区域内。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:所述步骤(一)中一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品通过如下方法获得:在石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩制备过程中不同阶段分别取样,得到密度不同的标准样品,最后阶段取样得到的标准样品密度与理想石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩密度相同。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:所述步骤(一)中一系列不同密度的石英纤维增强二氧化硅复合材料标准样品外形尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:所述石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩为中空结构,包括中空的回转体结构或中空的盒装结构。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:所述石英纤维增强二氧化硅复合材料天线罩包括天线罩预制体、半成品及成品。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料天线罩质量无损跟踪与评价方法,其特征在于:所述步骤(六)中若测试点的密度梯度值的绝对值|P|<0.05,则测试点与其相邻点的密度变化越小,处于密度均匀的区域概率越高。
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