CN111272869B - 一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，确定该斜坡系数采用了超声反射检测方法和深度学习方法中的卷积数学计算方法，通过对n×m组修理区的超声检测信号进行计算和处理，提取出影响超声在修理区传播行为的特征值，并进行了量化，形成斜坡系数。通过超声检测实验验证，确定该斜坡系数在参与超声检测评定时，能够提高缺陷检测的准确性。

Description

一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法

技术领域

本发明是一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

基于复合材料层压结构的各种工程零件及其产品已在航空、建筑、交通等许多工程领域得到非常重要的应用。在服役环境下，因复合材料结构受力等作用，可能会产生损伤。为了保证复合材料结构的安全服役，通常需要对受到损伤的复合材料结构进行及时修理，损伤区的修理质量直接影响复合材料结构性能和功能的恢复程度。为此，都需要对复合材料结构损伤修理区的质量进行全覆盖无损检测。在外场环境条件下，超声是损伤修理检测的一种主要无损检测方法，目前采用的损伤修理超声检测方法中，主要是根据来自被检测复合材料表面和底面之间的超声回波信号大小以及底波大小，进行缺陷判别。其主要不足有：

(1)由于修理材料和修理工艺及修理区的几何结构的变化，会在被检测复合材料表面和底面之间产生反射，从而会干扰损伤修理区的缺陷判别；

(2)由于修理材料和服役环境条件下修理区的补片内部的均匀性与被修理结构之间的差异，会改变入射声波在修理区的反射行为，从而影响损伤修理区的缺陷判别；

(3)在损伤修理区产生的修理界面会改变入射声波在修理区的反射行为，同样影响损伤修理区的缺陷判别。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其目的是提出了一种用于复合材料修理超声检测的斜坡系数，该系数综合了复合材料损伤修理的工艺特点、损伤区的几何特征，以及由此带来超声检测信号的变化对修理区缺陷的判别影响，基于该系数进行的损伤修理区的缺陷判别，提高了复合材料损伤修理区检测的准确性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：该斜坡系数的确定方法的步骤如下：

步骤一、确定复合材料的圆锥形修理区，该圆锥形修理区包括大直径D的圆形顶部和小直径d的圆形底部，圆形顶部和圆形底部的中心处于同一中轴线上；

步骤二、沿圆锥形修理区的径向并通过中轴线构建m条超声信号测量轨迹S_i，i＝1,2,3，……，m，m为正整数，相邻的两条超声信号测量轨迹S_i沿圆周方向旋转一夹角θ，且θ＝360°/2m，在每条超声信号测量轨迹S_i上确定n个等距离的超声测量点，用P_ij表示，j＝1,2,3，……，n，n为正整数；

步骤三、沿每一条超声信号测量轨迹S_i测量其上每一个超声测量点P_ij的超声信号u_ij，该超声信号u_ij中包含来自圆锥形修理区入射面的超声信号F_ij和来自圆锥形修理区反射面的超声信号B_ij，将测量得到的超声信号u_ij按照二维数据矩阵存放，得到圆锥形修理区的超声信号测量数据矩阵，用u＝[u_ij]_n×m表示，超声信号测量数据矩阵由n×m个数据元素构成，超声信号测量数据矩阵中的列号C_i与i＝1,2,3，……，m中的条数相对应，超声信号测量数据矩阵中的行号R_j与j＝1,2,3，……，n中的测量点数相对应；

步骤四、从超声信号测量数据矩阵u＝[u_ij]_n×m中分离出对应各个测量位置点P_ij的超声信号u_ij中的F_ij和B_ij，分别得到新的数据矩阵F和B，分别表示为：F＝[F_ij]_n×m、B＝[B_ij]_n×m；

对F和B按

进行运算，求出超声信号衰减系数e_ij，得到新的超声斜坡数据矩阵E：

式中：μ为与修理试块厚度及材质有关的常数，μ取值范围为0.1-10。

对超声斜坡数据矩阵E求卷积，得到超声斜坡数据卷积矩阵E'：

式中：e'_ij为卷积超声信号衰减系数；

步骤五、从超声斜坡数据卷积矩阵E'中按列绘制斜坡曲线f_i(e'_i-r_i)，共得到m组斜坡曲线，用

表示，式中：r_i为对应每条斜坡曲线从测量起点至测量终点的距离；

从

求出每条斜坡曲线中最大斜率所对应的卷积超声信号衰减系数e’_i的差值Δe’_i，得到m组卷积超声信号衰减系数e’_i的差值

然后从

中求出Δe’_i的均值

计算超声斜坡系数η：

式中：λ₀为常数，λ₀取值范围为0.1-10。

本发明技术方案中所述斜坡系数是对修理区的修理材料、修理工艺、几何结构对超声传播行为产生的影响的量化特征值，在复合材料修理区检测时，利用该斜坡系数能够更准确地判别缺陷和更加准确地对修理区内部质量进行评定。

上述修理区的修理材料、修理工艺、几何结构对超声传播行为产生的影响包括：

修理材料和修理工艺及修理区的几何结构的变化，在被检测复合材料表面和底面之间产生的反射对损伤修理区的缺陷判别的干扰；

修理材料和服役环境条件下修理区的补片内部的均匀性与被修理结构之间的差异对入射声波在修理区的反射行为的变化，对损伤修理区的缺陷判别的影响；

损伤修理区产生的修理界面对入射声波在修理区的反射行为的改变，对损伤修理区的缺陷判别的影响。

本发明技术方案中，确定该斜坡系数采用了超声反射检测方法和深度学习方法中的卷积数学计算方法，通过对n×m组修理区的超声检测信号进行计算和处理，提取出影响超声在修理区传播行为的特征值，并进行了量化，形成斜坡系数。通过超声检测实验验证，确定该斜坡系数在参与超声检测评定时，能够提高缺陷检测的准确性。

附图说明

图1为本发明方法中所述圆锥形修理区的结构及测量轨迹的示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

确定用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的方法的步骤如下：

步骤一、确定复合材料的圆锥形修理区，该圆锥形修理区包括大直径D的圆形顶部和小直径d的圆形底部，圆形顶部和圆形底部的中心处于同一中轴线上，本实施例中，圆锥形修理区1是在一个碳纤维复合材料壁类板层压结构的修理试块上，该试块的长L、宽W尺寸为500×500mm，圆锥形修理区1的厚度H＝5mm，圆锥形修理区1的损伤区2的d＝100mm，圆锥形修理区1的D＝300mm；

步骤二、沿圆锥形修理区的径向并通过中轴线构建m条超声信号测量轨迹S_i，i＝1,2,3，……，m，m为正整数，相邻的两条超声信号测量轨迹S_i沿圆周方向旋转一夹角θ，且θ＝360°/2m，在每条超声信号测量轨迹S_i上确定n个等距离的超声测量点，用P_ij表示，_j＝1,2,3，……，n，n为正整数，本实施例中，取m＝6，即6条超声信号测量轨迹S_i，每条超声信号测量轨迹S_i沿圆周方向旋转夹角θ＝30°，取n＝50，即沿每条超声信号测量轨迹S_i分为50个超声等距离测量位置点P_ij(i＝1,2,3，……，6；j＝1,2,3，……，50)；

步骤三、沿每一条超声信号测量轨迹S_i测量其上每一个超声测量点P_ij的超声信号u_ij，该超声信号u_ij中包含来自圆锥形修理区入射面的超声信号F_ij和来自圆锥形修理区反射面的超声信号B_ij，将测量得到的超声信号u_ij按照二维数据矩阵存放，得到圆锥形修理区的超声信号测量数据矩阵，用u＝[u_ij]_n×m表示，超声信号测量数据矩阵由n×m个数据元素构成，超声信号测量数据矩阵中的列号C_i与i＝1,2,3，……，m中的条数相对应，超声信号测量数据矩阵中的行号R_j与j＝1,2,3，……，n中的测量点数相对应，本实施例中，采用中航复合材料有限责任公司生产的CUS-21J超声检测设备，沿测量轨迹对修理试块进行超声信号的测量，得到超声信号测量数据矩阵u＝[u_ij]_50×6(i＝1,2,3，……，6；j＝1,2,3，……，50)；

步骤四、从超声信号测量数据矩阵u＝[u_ij]_n×m中分离出对应各个测量位置点P_ij的超声信号u_ij中的F_ij和B_ij，分别得到新的数据矩阵F和B，分别表示为：F＝[F_ij]_n×m、B＝[B_ij]_n×m，本实施例中，从超声信号测量数据矩阵u＝[u_ij]_n×m中得到新的数据矩阵F＝[F_ij]_50×6和B＝[B_ij]_50×6；

对F和B按

进行运算，求出超声信号衰减系数e_ij，得到新的超声斜坡数据矩阵E：

式中：μ为与修理试块厚度及材质有关的常数，μ取值范围为0.1-10。本实施例中，对F＝[F_ij]_50×6和B＝[B_ij]_50×6进行得到运算超声斜坡数据矩阵E＝[e_ij]_50×6，μ取值1.5；

对超声斜坡数据矩阵E求卷积，得到超声斜坡数据卷积矩阵E'：

式中：e'_ij为卷积超声信号衰减系数。

本实施例中，对超声斜坡数据矩阵E＝[eij]50×6求卷积，得到超声斜坡数据卷积矩阵E'＝[e'_ij]_50×6；

步骤五、从超声斜坡数据卷积矩阵E'中按列绘制斜坡曲线f_i(e'_i-r_i)，共得到m组斜坡曲线，用

表示，式中：r_i为对应每条斜坡曲线从测量起点至测量终点的距离；

从

求出每条斜坡曲线中最大斜率所对应的卷积超声信号衰减系数e’_i的差值Δe’_i，得到m组卷积超声信号衰减系数e’_i的差值

然后从

中求出Δe’_i的均值

计算超声斜坡系数η：

式中：λ₀为常数，λ₀取值范围为0.1-10。

本实施例中，从超声斜坡数据卷积矩阵E'＝[e'_ij]_50×6中得到6组斜坡曲线和均值

λ₀取值为4.0，最终得到超声下坡系数η＝10。完成了系列的碳纤维复合材料壁板损伤修理区的超声检测与评定，取得了较好的实际检测效果。本实施例中，未引入斜坡系数对圆锥形修理区1进行超声检测与评定时，存在3处缺陷信号指示；引入斜坡系数后，对圆锥形修理区1进行超声检测与评定时，存在1处缺陷信号指示。经核实验证，实际缺陷为1处，与引入斜坡系数后的检测结果一致。

Claims (9)

1.一种用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：该斜坡系数的确定方法的步骤如下：

步骤一、确定复合材料的圆锥形修理区，该圆锥形修理区包括大直径D的圆形顶部和小直径d的圆形底部，圆形顶部和圆形底部的中心处于同一中轴线上；

步骤二、沿圆锥形修理区的径向并通过中轴线构建m条超声信号测量轨迹S_i，i＝1,2,3，……，m，m为正整数，相邻的两条超声信号测量轨迹S_i沿圆周方向旋转一夹角θ，且θ＝360°/2m，在每条超声信号测量轨迹S_i上确定n个等距离的超声测量点，用P_ij表示，j＝1,2,3，……，n，n为正整数；

步骤三、沿每一条超声信号测量轨迹S_i测量其上每一个超声测量点P_ij的超声信号u_ij，该超声信号u_ij中包含来自圆锥形修理区入射面的超声信号F_ij和来自圆锥形修理区反射面的超声信号B_ij，将测量得到的超声信号u_ij按照二维数据矩阵存放，得到圆锥形修理区的超声信号测量数据矩阵，用u＝[u_ij]_n×m表示，超声信号测量数据矩阵由n×m个数据元素构成，超声信号测量数据矩阵中的列号C_i与i＝1,2,3，……，m中的条数相对应，超声信号测量数据矩阵中的行号R_j与j＝1,2,3，……，n中的测量点数相对应；

步骤四、从超声信号测量数据矩阵u＝[u_ij]_n×m中分离出对应各个测量位置点P_ij的超声信号u_ij中的F_ij和B_ij，分别得到新的数据矩阵F和B，分别表示为：F＝[F_ij]_n×m、B＝[B_ij]_n×m；

对F和B按

进行运算，求出超声信号衰减系数e_ij，得到新的超声斜坡数据矩阵E：

式中：μ为与修理试块厚度及材质有关的常数，μ取值范围为0.1-10； 对超声斜坡数据矩阵E求卷积，得到超声斜坡数据卷积矩阵E'：

式中：e′_ij为卷积超声信号衰减系数；

步骤五、从超声斜坡数据卷积矩阵E'中按列绘制斜坡曲线f_i(e′_i-r_i)，共得到m组斜坡曲线，用

表示，式中：r_i为对应每条斜坡曲线从测量起点至测量终点的距离；

从

求出每条斜坡曲线中最大斜率所对应的卷积超声信号衰减系数e′_i的差值Δe′_i，得到m组卷积超声信号衰减系数e′_i的差值

然后从

中求出Δe′_i的均值

计算超声斜坡系数η：

式中：λ₀为常数，λ₀取值范围为0.1-10。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：圆锥形修理区的修补材料与被修理零件的复合材料相同。

3.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：超声信号测量轨迹S_i的数量不少于6条。

4.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，沿每条超声信号测量轨迹S_i的测量点数n不小于30。

5.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：λ₀的取值4.0。

6.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：μ取值1.5。

7.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：圆锥形修理区(1)是在一个碳纤维复合材料壁类板层压结构的修理试块上，该试块的长、宽W尺寸为500×500mm。

8.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：圆锥形修理区(1)的厚度H＝5mm。

9.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的斜坡系数的确定方法，其特征在于：圆锥形修理区(1)的损伤区d＝100mm，圆锥形修理区(1)的D＝300mm。

Images