CN104870994A - 用于表征由复合材料制成的零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种用于表征由复合材料制成的零件(30)的方法，包括确定穿过该零件(30)的纵向超声波(41)的特征的步骤，其特征在于由该零件(30)透射的纵向超声波(42)的行程时间被测量(E4)。

Description

用于表征由复合材料制成的零件的方法

技术领域与现有技术

本发明在表征由复合材料制成的零件的方法的领域中，在机械工业领域中，尤其在航空工业领域中。

在某一给定的零件被开发时，有必要知道该零件的某一给定区域中的纤维含量和含胶量。为此，人们知道要测量通过该零件的纵向超声波的传播速度和衰减。

测量这些大小的一个方法是以收发器模式使用超声换能器。然后关注该零件的由相互平行的前表面和后表面限定的区域。纵波被引导以便与所述两个表面正交地传播，被部分反射且还在该零件的材料中被衰减。从而有观察到的来自前表面的第一回波，以及来自后表面且称为后回波的第二回波。换能器接收到反射波，于是通过观察两个反射分量就可能推断出材料中的波的传播速度和衰减。

然而，该解决方案对于强烈吸收超声波的材料而言不合适。例如这适用于具有非均匀且各向异性的结构的三维3D机织复合材料。对于具有工业厚度的零件来说，由于强吸收，在这些材料上获得的记录中后回波是不可见的。

从而有必要开发一种适合于应用于由复合材料制造的零件且使得大量零件能够被表征而不管它们的厚度或它们的吸收性质的方法。

发明的定义以及相关联的优点

本发明涉及一种表征由复合材料制成的零件的方法，该方法包括确定沿零件内的一路径行进的纵向超声波的特征的步骤，该方法的特征在于测量由该零件透射的波的行程时间。

通过该技术，与收发器模式测量中缺少后回波相关的问题得到克服。

根据一有利的特征，透射波的行程时间是通过观察波的开始而测量的。

通过该特征，就可能无视由厚材料造成的，或由特定复合材料的复杂的、非均匀的、且各向异性的结构造成的所用超声波的正弦信号的相移和变形的极度放大的问题。

在一实现中，遵循零件中的一路径的纵向超声波的传播速度被确定。

这提供了对于确定复合材料的纤维含量和含胶量来说有用的信息，该信息可被用于被研究的零件的开发。

在另一实现中，该实现可与前述实现相组合，还测量透射波的幅度以便确定纵向超声波在零件中行进时受到的总长度衰减或单位长度衰减。

这提供了对于确定孔隙含量来说有用的信息，该信息可被用于被研究的零件的开发。

较佳地，测量在没有零件的情况下传输的超声波的传播时间，同样测量分别由零件的第一面和零件的第二面反射的超声波的传播时间，以便确定传递沿零件中的一路径行进的纵向超声波的零件的尺寸。

通过该特征，该特征是可任选的但是有利的，获得传递透射波的零件的尺寸的精确测量，而该尺寸在由复合材料制成的零件中是相当多变的，因此对于所使用的超声波所遵循的特定路径来说，知道某一给定零件的确切值可能是有用的。

具体来说，对由3D机织复合材料制成的零件来执行该方法。

这些材料尤其难以被表征，因为它们的非均匀性以及因为它们的各向异性。通过本发明，就可能快速且可靠地研究它们，尤其是在零件正被开发的情况下。

附图简述

图1示出在执行本发明的方法的上下文中的预备操作。

图2示出本发明中执行的厚度测量阶段的三个步骤。

图3至5示出图2的三个步骤期间记录的信号。

图6示出在本发明的方法期间观察透射波的步骤。

图7示出图6的步骤期间测得的信号。

图8至10示出对于由复合材料制成的垫片来说图2和6的步骤期间获得的信号。

一实现的具体描述

参考图1，将工作于传输模式的两个平面超声传感器放成对齐。这种放成对齐构成了预备步骤E0。传感器被诸如水之类的液体分隔。换能器10工作于发射模式，而传感器20工作于接收模式。在轴Oy和Oz以及还有角度θ和的连续调整之后，传感器20接收到的信号通过最大值。

在图2中，对被研究的零件(标为30)的材料的厚度进行测量。该测量需要精确到1微米内。

第一步骤E1在于在没有该零件的情况下测量波传输通过两个换能器10和20之间的水的行程时间。第二步骤在于在换能器10按收发器工作且面对零件30的第一表面(标为31)的情况下测量由该表面31反射的波的行程时间。第三步骤在于在换能器20接着按收发器工作且面对零件30的第二表面(标为32)的情况下测量由该表面32反射的波的行程时间。

每次通过观察信号的开始而非信号的拱，来测量行程时间。这使得操作者可能无视与信号的可能相移相关联的任何现象。具体来说，在存在多重反射的情况下，相移出现。这同样在反射后信号被反转时发生。信号的拱的形状被修改，且难以获得行程时间的精确值。这就是提出通过只观察信号的开始来测量信号的原因。

由于波在水中的传播速度V_水是已知的，通过使用公式X₂＝(t_X1+X2+X3-t_X3-t_X1)×V_水，就可能通过减法来从步骤E1、E2和E3获得零件的厚度，其中X1是换能器10与表面31之间的距离，X2是波束射入点处零件的厚度，X3是换能器20与表面32之间的距离，且其中t_X1+X2+X3、t_X1和t_X3分别是在步骤E1、E2和E3期间测得的行程时间。

图3至5示出在水温22℃、5兆赫兹(MHz)频率的波(在水中的传播速度是每秒1486.45米(m/s))的情况下，对于厚度为76.20毫米(mm)且由TA6V钛金属制成的垫片来说，分别在步骤E1、E2和E3期间显示出的标绘。波的行程时间是基于波的开始(给予相应的标号100、110和120)而测得的。

获得下面的结果：

t_X1+X2+X3＝92.72微秒(μs)

t_X3＝52.98/2＝26.49μs

t_X1＝29.94/2＝14.97μs

X2＝(t_X1+X2+X3-t_X3-t_X1)×V_水

X2＝(92.72×10^-6-26.49×10^-6-14.97×10^-6)×1486.54

X2＝76.20mm

用卡尺测得的厚度确实是76.20mm，即3英寸。

图6示出步骤E4，在该步骤期间观察由零件30透射的波。从而，换能器10工作于发射器模式，而换能器20工作于接收器模式。在该图中入射波被标为40，在零件30中传播的波被标为41，而透射的波被标为42。

零件30中的波的行程时间采用t'_X2＝t-(t_X1+t_X3)的形式来表达。已知事先确定的X2，材料中波的传播速度采用V_材料＝X2/t'_X2的形式来表达。

图7示出对于76.20mm厚度的由钛金属(TA6V)制成的垫片来说，仍然在5MHz的波的情况下，在步骤E4期间观察到的信号。波的行程时间是基于波的开始(标为130)而测得的。

获得如下的值：

t＝53.80μs

t'_X2＝(53.80×10^-6-26.49×10^-6-14.97×10^-6)

t'_X2＝12.34μs

V＝76.20×10^-3/12.34×10^-6

最终，速度的数值是V＝6175.04m/s。用传统的传播速度测量来验证该值，以便确认该方法有效。

图8至10示出对于厚度为47.09mm的复合材料阶梯式垫片，在换能器以1MHz发射的情况下，为步骤E2、E3和E4获得的扫描。波的行程时间是基于波的开始(给予相应的标号140、150和160)而测得的。

获得如下的值：

t_X1+X2+X3＝90.22μs

t＝74.90μs

t_X3＝52.42/2＝26.21μs

t_X1＝64.68/2＝32.34μs

X2＝(t_X1+X2+X3-t_X3-t_X1)×V_水

X2＝(90.22×10^-6-26.21×10^-6-32.34×10^-6)×1486.54

X2＝31.67×10^-6×1488.76

X2＝47.078mm

t'_X2＝t-(t_X1+t_X3)

t'_X2＝(74.90×10^-6-26.21×10^-6-32.34×10^-6)

t'_X2＝16.35μs

V_复合材料＝X2/t'_X2

V_复合材料＝47.078×10^-3/16.35×10^-6

最终，速度的数值是V_复合材料＝2879.4m/s。

然后关注纵波在材料中的衰减。

从发射器向接收器发射的波的幅度的表达式被如下写出：Y₁＝A_maxe^{-α1×(X1+X2+X3)}，其中A_max表示在换能器的表面处的最大幅度，而α₁是波在水中的衰减。

在通过材料之后从发射器向接收器发射的波的幅度的表达式被如下写出：Y₂＝A_maxe^{-α1×(X1+X3)}e^-α2X2t₁₂t₂₁，其中α₂是波在材料中的衰减，t₁₂是从水到材料的幅度传输系数，而t₂₁是从材料到水的幅度传输系数。

乘积表达式t₁₂×t₂₁是材料的声阻抗Z₂＝ρ₂×V₂和水的声阻抗Z₁＝ρ₁×V₁的函数。在声阻抗表达式中，ρ表示密度，而V表示所考虑的频率下纵波的传播速度。

$t_{12}{t}_{21}=\frac{4.Z_1{Z}_2}{{(Z_1+Z_2)}^2}$

幅度比率Y₁/Y₂被如下写出：

$\frac{Y_1}{Y_2}=\frac{e^{-\mathrm{\α}1X2}}{e^{-\mathrm{\α}2X2}.t_{12}{t}_{21}}.$

从中就可能推导出材料中的衰减的表达式：

第一种实现涉及使用2.25MHZ的波，厚度为47.09mm的复合材料垫片。

该实现的数值如下：

ρ₂＝1525.71千克/立方米(kg/m³)

V₂＝2946.75m/s

Z₂＝4.39316兆欧交流电(MΩ_ac)

Ρ_水＝997.77kg/m³

V_水＝1486.54m/s

Z_水＝1.48322MΩ_ac

t₁₂×t₂₁＝0.75478

x₂＝47.078mm(精确的超声测量)

Y₁＝643.2毫伏(mV)

Y₂＝15.885mV

α_水2.25MHz＝0.972奈培/米(Np/m)

α₂＝73.61Np/m。

第二种实现涉及使用1MHZ的波，厚度为47.09mm的复合材料垫片。

ρ₂＝1525.71kg/m³

V₂＝2879.39m/s

Z₂＝4.39311MΩ_ac

Ρ_水＝997.77kg/m³

V_水＝1486.54m/s

Z_水＝1.48322MΩ_ac

t₁₂×t₂₁＝0.75479

x₂＝47.078mm(精确的超声测量)

Y₁＝370.25mV

Y₂＝16.395mV

α_水1MHz＝0.682Np/m

α₂＝60.92Np/m.

本发明不限于所述的实现，而是扩展至权利要求的范围内的任何变型。

Claims (5)

1.一种表征复合材料制成的零件(30)的方法，所述方法包括确定沿所述零件(30)内的一路径行进的纵向超声波(41)的特征的步骤，所述方法的特征在于由所述零件(30)透射的纵向超声波(42)的行程时间被测量(E4)，透射波(42)的所述行程时间是通过观察所述波的开始(130，160)而被测量的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纵向超声波(41)在所述零件(30)中遵循所述零件(30)中的一路径的传播速度被确定。

3.根据前述任一项权利要求所述的表征方法，其特征在于，所述透射波(42)的幅度也被确定，以便确定所述纵向超声波(41)在所述零件(30)中行进时受到的总长度衰减或单位长度衰减。

4.根据前述任一项权利要求所述的表征方法，其特征在于，在没有所述零件的情况下传输的超声波的传播时间被测量(E1)，以及分别由所述零件的第一面(31)和所述零件的第二面(32)反射的超声波的传播时间被测量(E2，E3)，以便确定沿所述零件中的一路径行进的所述纵向超声波(41)所行经的所述零件(30)的尺寸。

5.根据前述任一项权利要求所述的表征方法，其特征在于，所述方法是对由3D机织复合材料制成的零件执行的。