CN111272870A - 一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，确定该编织系数采用了超声波在编织复合材料内部的反射/透射方法和深度学习方法中的卷积数学计算方法，通过对m×n组的超声检测信号进行计算和处理，提取出影响超声在编织复合材料中传播行为的特征值，并进行了量化，形成编织系数。通过超声检测实验验证，确定该编织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

一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法
技术领域
本发明是一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
基于编织复合材料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。为了保证编织复合材料结构的质量和安全服役，都需要对编织复合材料结构的质量进行全覆盖无损检测。超声是编织复合材料检测的一种主要无损检测方法，目前采用的编织复合材料超声检测方法中，主要是根据来自被检测编织复合材料中的超声信号，进行缺陷判别。其主要不足有：
(1)由于编织复合材料微结构和编织工艺的变化，会在被检测编织复合材料内部编织纤维束、编织纤维束节点产生反射/折射，从而干扰缺陷的判别；
(2)编织复合材料内部编织纤维束、编织纤维束节点会引起入射声波在编织复合材料内部的额外衰减，影响缺陷的检出和检测结果的可靠性。
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编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其目的是提出了一种用于编织复合材料超声检测的编织系数，该系数综合考虑了编织复合材料编织的工艺特点、编织微结构的特征，以及由此带来超声检测信号的变化对缺陷判别的影响，基于此编织因子进行编织复合材料的缺陷判别，更加适合编织复合材料的超声检测与缺陷评定，显著改善了编织复合材料检测的准确性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：该编织系数的确定方法的步骤如下：
步骤一、制备与待检测零件一致的非编织复合材料对比试块1，以与实际检测编织复合材料零件一致的扫描速度、步进量、数据采集密度以及超声参数，构建m条超声信号测量轨迹Si，这里，i＝1,2,3，…，m，这里，m为表示对非编织复合材料对比试块1进行超声信号测量的最大轨迹数，沿每条超声信号测量轨迹Si分为n个超声等距离测量位置点，共构成n个超声等距离测量位置点，用Pij表示第i条超声测量轨迹中的j个测量位置点，j＝1,2,3，…，n；
步骤二、将超声换能器置于非编织复合材料对比试块1相应的测量位置点Pij，依次测量非编织复合材料对比试块1中每条超声信号测量轨迹Si中各个测量位置点Pij的超声信号，用uij表示来自非编织复合材料对比试块1中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号uij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自非编织复合材料对比试块1的超声信号测量数据矩阵U，用U＝[uij]m×n表示，非编织复合材料对比试块1的超声信号测量数据矩阵U＝[uij]m×n共由m×n个数据元素构成，U＝[uij]m×n中的列号Cj与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，U＝[uij]m×n中的行号Ri对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号。
Figure BDA0002348655810000021
步骤三、制备与待检测零件一致的编织复合材料对比试块2，按照与步骤一相同的测量轨迹和测量参数对编织复合材料对比试块2进行超声信号测量，用vij表示来自编织复合材料对比试块2中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号vij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自编织复合材料对比试块2的超声信号测量数据矩阵V，用V＝[vij]m×n表示，编织复合材料对比试块2的超声信号测量数据矩阵V＝[vij]m×n共由m×n个数据元素构成，V＝[vij]m×n中的列号Ci与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，V＝[vij]m×n中的行号对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号，
Figure BDA0002348655810000031
步骤四、计算U和V差值，用ΔE表示U-V，则有Δeij＝uij-vij。
Figure BDA0002348655810000032
步骤五、对ΔE求卷积，得到反映编织复合材料微结构特征矩阵ε，这里ε即为编织因子，且ε表示为
Figure BDA0002348655810000033
这里，i＝1，2，3，...，k，j＝1，2，3，...，l，k和l的取值范围为3-10之间的整数。
在一种实施中，试块1的材料与待检测零件的复合材料相同。
在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数与待检测零件的检测要求相同。
在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数包括测量轨迹路径和测量点标定。
在一种实施中，编织复合材料试块2的材料与待检测零件的复合材料相同。
在一种实施中，不同厚度的试块1之间的厚度梯度为2mm。
在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数中，测量轨迹为扫描方式，扫描速度为100mm/s，测量参数为相邻测量点的间距为2mm。
本发明技术方案中所述编织系数是对编织复合材料编织的工艺特点、编织微结构的特征对超声传播行为产生的影响的量化特征值，在编织复合材料检测时，利用该编织系数能够更准确地判别缺陷和更加准确地对编织复合材料内部质量进行评定。
上述编织复合材料编织工艺、微结构对超声传播行为产生的影响包括：
编织纤维束材料和编织工艺及编织区的微结构的变化，在被检测复合材料表面和底面及编织界面产生的反射/折射对超声检测时的缺陷判别的干扰；
编织材料和编织工艺带来的复合材料内部的均匀性变化对入射声波在编织复合材料中的反射/折射行为的变化，对超声检测的缺陷判别的影响；
编织材料和编织工艺对入射声波在编织复合材料中的反射/折射行为的改变，带来的声波损失对超声检测的缺陷判别的影响。
本发明技术方案中，确定该编织系数采用了超声波在编织复合材料内部的反射/透射方法和深度学习方法中的卷积数学计算方法，通过对m×n组的超声检测信号进行计算和处理，提取出影响超声在编织复合材料中传播行为的特征值，并进行了量化，形成编织系数。通过超声检测实验验证，确定该编织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编织复合材料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：
确定用于编织复合材料超声检测的编织系数的方法的步骤如下：
步骤一、制备与待检测零件一致的非编织复合材料对比试块1，本实施例中，非编织复合材料对比试块1的长L、宽W尺寸为500×500mm，参见图1，以与实际检测编织复合材料零件一致的扫描速度、步进量、数据采集密度以及超声参数，构建m条超声信号测量轨迹Si，这里，i＝1,2,3，…，m，这里，m为表示对非编织复合材料对比试块1进行超声信号测量的最大轨迹数，沿每条超声信号测量轨迹Si分为n个超声等距离测量位置点，共构成n个超声等距离测量位置点，用Pij表示第i条超声测量轨迹中的j个测量位置点，j＝1,2,3，…，n，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，取m＝10，即10条超声信号测量轨迹Si，取n＝50，即沿每条超声信号测量轨迹Si分为50个超声等距离测量位置点，；
步骤二、将超声换能器置于非编织复合材料对比试块1相应的测量位置点Pij，依次测量非编织复合材料对比试块1中每条超声信号测量轨迹Si中各个测量位置点Pij的超声信号，用uij表示来自非编织复合材料对比试块1中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号uij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自非编织复合材料对比试块1的超声信号测量数据矩阵U，用U＝[uij]m×n表示，非编织复合材料对比试块1的超声信号测量数据矩阵U＝[uij]m×n共由m×n个数据元素构成，U＝[uij]m×n中的列号Cj与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，U＝[uij]m×n中的行号Ri对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号。
Figure BDA0002348655810000051
在本实施例中，得到超声信号测量数据矩阵U＝[uij]10×50；
步骤三、制备与待检测零件一致的编织复合材料对比试块2，按照与步骤一相同的测量轨迹和测量参数对编织复合材料对比试块2进行超声信号测量，用vij表示来自编织复合材料对比试块2中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号vij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自编织复合材料对比试块2的超声信号测量数据矩阵V，用V＝[vij]m×n表示，编织复合材料对比试块2的超声信号测量数据矩阵V＝[vij]m×n共由m×n个数据元素构成，V＝[vij]m×n中的列号Ci与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，V＝[vij]m×n中的行号对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号，
Figure BDA0002348655810000052
步骤四、计算U和V差值，用ΔE表示U-V，则有Δeij＝uij-vij。
Figure BDA0002348655810000061
步骤五、对ΔE求卷积，得到反映编织复合材料微结构特征矩阵ε，这里ε即为编织因子，且ε表示为
Figure BDA0002348655810000062
这里，i＝1，2，3，...，k，j＝1，2，3，...，l，k和l的取值范围为3-10之间的整数。
在本实施例中，得到V＝[vij]10×50、ΔE＝[Δeij]10×50，取k＝6，l＝6，得到编织因子ε＝[εij]6×6；
将编织因子导入CUS-21J超声检测设备，完成了系列的本实施例中的碳纤维编织复合材料结构的超声检测与评定，非常清晰地检出了其中3件编织复合材料结构中的5处分层缺陷；未导入编织因子时，检出5处存在缺陷指示信号，经核实，该5处缺陷指示均为编织结构引起的超声指示信号，而不是缺陷信号指示。取得了较好的实际检测效果。

Claims (8)

1.一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：该编织系数的确定方法的步骤如下：
步骤一、制备与待检测零件一致的非编织复合材料对比试块(1)，以与实际检测编织复合材料零件一致的扫描速度、步进量、数据采集密度以及超声参数，构建m条超声信号测量轨迹Si，这里，i＝1,2,3，…，m，这里，m为表示对非编织复合材料对比试块(1)进行超声信号测量的最大轨迹数，沿每条超声信号测量轨迹Si分为n个超声等距离测量位置点，共构成n个超声等距离测量位置点，用Pij表示第i条超声测量轨迹中的j个测量位置点，j＝1,2,3，…，n；
步骤二、将超声换能器置于非编织复合材料对比试块(1)相应的测量位置点Pij，依次测量非编织复合材料对比试块(1)中每条超声信号测量轨迹Si中各个测量位置点Pij的超声信号，用uij表示来自非编织复合材料对比试块(1)中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号uij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自非编织复合材料对比试块(1)的超声信号测量数据矩阵U，用U＝[uij]m×n表示，非编织复合材料对比试块(1)的超声信号测量数据矩阵U＝[uij]m×n共由m×n个数据元素构成，U＝[uij]m×n中的列号Cj与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，U＝[uij]m×n中的行号Ri对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号。
Figure RE-FDA0002478982040000011
步骤三、制备与待检测零件一致的编织复合材料对比试块(2)，按照与步骤一相同的测量轨迹和测量参数对编织复合材料对比试块(2)进行超声信号测量，用vij表示来自编织复合材料对比试块(2)中第i条超声测量轨迹中的第j个测量位置点的超声信号，将测量得到的超声信号vij按照二维数据矩阵存放，从而得到来自编织复合材料对比试块(2)的超声信号测量数据矩阵V，用V＝[vij]m×n表示，编织复合材料对比试块(2)的超声信号测量数据矩阵V＝[vij]m×n共由m×n个数据元素构成，V＝[vij]m×n中的列号Ci与超声信号测量轨迹Si中各个位置点序号相对应，V＝[vij]m×n中的行号对应每条超声信号测量轨迹Si中的序号，
Figure RE-FDA0002478982040000021
步骤四、计算U和V差值，用ΔE表示U-V，则有Δeij＝uij-vij。
Figure RE-FDA0002478982040000022
步骤五、对ΔE求卷积，得到反映编织复合材料微结构特征矩阵ε，这里ε即为编织因子，且ε表示为
Figure RE-FDA0002478982040000023
这里，i＝1，2，3，...，k，j＝1，2，3，...，l，k和l的取值范围为3-10之间的整数。
2.根据权利要求1所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：试块(1)的材料与待检测零件的复合材料相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：所述超声测量轨迹和测量参数与待检测零件的检测要求相同。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：所述超声测量轨迹和测量参数包括测量轨迹路径和测量点标定。
5.根据权利要求1所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：编织复合材料试块(2)的材料与待检测零件的复合材料相同。
6.根据权利要求1所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：不同厚度的试块(1)之间的厚度梯度为2mm。
7.根据权利要求1或3所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：所述超声测量轨迹和测量参数中，测量轨迹为扫描方式，扫描速度为100mm/s，测量参数为相邻测量点的间距为2mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于编织复合材料超声检测的编织系数的确定方法，其特征在于：k和l的取值均为6。
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