CN112179925A - 一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，包括步骤：1)通过超声C扫描确定受到冲击后的复合材料内部的最大损伤区域；2)利用X射线计算机断层扫描技术对步骤1)得到的最大损伤区域进行扫描；3)对步骤2)的扫描结果进行三维重构，根据灰度值区别受到冲击后的复合材料的不同组分(包括材料和损伤)；4)根据受到冲击后的复合材料的冲击面图像，利用特征曲面法获取受到冲击后的复合材料的分层分布。与现有技术相比，本发明具有检测准确度高、可得到无损的三维损伤结果等优点。

Description

一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其是涉及一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法。

背景技术

连续碳纤维增强树脂基复合材料在航空领域内的应用越来越广泛，该材料一般是由多层各向异性的单向带，按照预设的铺层顺序通过热压等方式压合而成。因此分层是该材料有别于均质材料的一种值得关注的损伤形式。此外，分层往往对复合材料层压板造成致命的损伤，其大大降低了层压板的强度。

复合材料的损伤从鉴别角度可以分为两类：一、目视可见的损伤，此类损伤一般为较深的凹坑、纤维的拔出、材料的断裂等，较易识别。二、目视不可见的损伤，此类损伤发生在材料内部，如分层、基体裂纹等，需要借助特殊的检测手段。对目视不可见的损伤，目前的检测手段有：1)有损的检测方法；2)无损的检测方法。有损的检测方法需将损伤区域进行物理剖切后再通过显微镜观测，该方法可以得到较为直观的内部损伤的剖面分布，但也会对材料引入新的损伤。无损的检测方法，目前最常用的是超声C扫描，其原理是声波在不同材料的界面会发生部分反射或穿透，检测过程中声波从探头发射，通过水作为耦合剂将信号从材料表层传入材料内部，当声波遇到第一个损伤(空气)时，将发生反射，基于该原理，超声扫描可以得到材料内部由距离被检测面最近的损伤所组成的一个二维图像，该损伤检测结果是多层损伤的叠加效果。该检测方式在工程领域具有很强的适用性，如进行复合材料的挖补修补时，只需要得到最大的损伤区域即可。但随着复合材料的发展，其修补方式也发生了变化。例如，热塑性复合材料除了挖补修复法，还可以采用添补修复剂后焊接或局部重新热压的方法，当采用这些修复方法时，需要根据材料内部具体的损伤分布情况对材料进行修复。另外，在进行不同材料的损伤鉴定方面，二维的损伤检测结果存在不足，例如，不同材料在受到同样的冲击载荷后，其内部的损伤程度可能差异很大，但二维最大损伤面积相差不大，这就有可能对材料的抗冲击性能产生错误的判断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，该方法利用X射线计算机断层扫描技术对复合材料层压板的冲击损伤进行无损检测，可实现高准确无损的三维损伤检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，该方法包括如下步骤内容：

S1：通过超声C扫描确定受到冲击后的复合材料内部的最大损伤区域。

采用水作为耦合剂将声波信号从探头传入材料内部，得到材料内部损伤的超声C扫描结果，该结果是材料内部最大的损伤区域的二维图像，该图像确定了X射线所要扫描的区域，缩短了X射线扫描的时间成本。

S2：采用X射线计算机断层扫描技术对步骤S1得到的最大损伤区域进行扫描。

将材料固定在射线源与信号接收器之间，并保证射线源、扫描中心、信号接收器呈一条直线设置。调节射线源、扫描中心、信号接收器的间距，获得所需的分辨率。根据射线透过率和强度设置射线源电压和曝光时间。

S3：对X射线计算机断层扫描结果进行三维重构。

使用三维重构软件将X射线计算机断层扫描的二维图像结果进行重构。不同的物质(复合材料与空气)具有不同的X射线质量衰减系数，不同的系数在图像上反应为不同的灰度值，利用这些灰度值即可将不同的组分区开，如区分复合材料层压板与内部由空气组成的损伤。

S4：利用特征曲面法获取分层分布。

基于步骤S3得到的三维重构结果，根据被冲击面的形状生成一个含凹坑的特征曲面，根据实际材料层数、材料单层厚度和冲击后的实际厚度计算特征曲面的偏移量，通过图像的虚拟剖切，得到分层损伤的内部分布。

特征曲面的偏移量d_n的表达式为：

式中，n为当前偏移次数，t₀为复合材料单层厚度，Δt为复合材料受到冲击后的厚度增加量。

本发明提供的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)相比于只使用超声C扫描只能得到二维的最大损伤图像，无法对损伤的内部分布进行检测，在对受到同样冲击载荷的不同材料的损伤检测时，可能会发现二维损伤差异不大，但实际的内部损伤相差很大，从而对材料的抗冲击性能产生错误的判断的问题，本发明利用结合超声C扫描和X射线计算机断层扫描技术针对板状复合材料层压板试样受冲击后的损伤进行三维无损伤检测，并量化得到损伤在材料内的分布，可以得到无损的三维损伤图像，进而可有效检测材料内部损伤的全貌，得到损伤的分布，提高材料冲击性能判断的精确度。

2)本发明通过超声C扫描和X射线扫描结合的方法，首先得到材料内部损伤的超声C扫描结果，该结果是材料内部最大的损伤区域的二维图像，该图像确定了X射线所要扫描的区域，缩短了X射线扫描的时间成本。

附图说明

图1为实施例中复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法的流程示意图；

图2为实施例中X射线计算机断层扫描损伤结果示意图；

图3为实施例中X射线计算机断层扫描与超声C扫描结果的对比图；

图4为实施例中复合材料层压板冲击损伤内部分层量化结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，该方法利用X射线计算机断层扫描技术对复合材料层压板的冲击损伤进行无损检测，得到损伤的三维形态，并量化得到分层损伤的分布。

本实施例以一块受冲击载荷后的复合材料层压板为具体实施方式对本发明方法进行说明，试件的几何尺寸为100*150*2.8mm，由20层单向带预浸料压合而成。试件在常温下受到20J冲击载荷，使用5.5kg直径为16mm冲头作用于试件板平面中心。基于X射线计算机断层扫描技术对复合材料层压板冲击损伤进行三维无损检测，检测步骤包括如下内容：

步骤一、通过超声C扫描确定最大损伤区域。

使用水作为耦合剂，将声波信号从探头传入受冲击载荷后的复合材料内部，得到材料内部损伤的最大的损伤区域的二维图像，在试件表面用记号笔标记损伤区域，确定X射线所要扫描的区域。

步骤二、使用X射线计算机断层扫描技术扫描损伤区域。

将材料固定在射线源与信号接收器之间，保证射线源、扫描中心、信号接收器呈一条直线。调节射线源、扫描中心、信号接收器的间距，设置分辨率为40μm。根据射线透过率和强度设置射线源电压80kV和曝光时间1.5s。

步骤三、X射线计算机断层扫描结果的三维重构。

使用三维重构软件将X射线计算机断层扫描的结果进行重构。根据灰度值将复合材料和损伤分区开。如图2所示，通过旋转和拉伸重构三维图形，可以清晰的看到损伤在材料内部的分布。为了验证X射线对内部损伤扫描结果的准确性，图3给出了X射线计算机断层扫描与超声C扫描对最大损伤区域扫描的二维结果对比图，深色部分为X射线结果，浅色为C扫描结果，可以看到两者结果相近。

步骤四、特征曲面法得到分层分布。

基于步骤三得到的三维重构结果，根据被冲击面的形状生成一个含凹坑的特征曲面，实际材料层数为20层，材料单层厚度0.14mm，冲击后厚度增加Δt，在此认为冲击后的材料厚度的增加量从被冲击面到未冲击面逐渐增大。特征曲面需虚拟剖切19次方可得到19个夹层的分层面积，曲面的第一次偏移为距离被冲击表面1.5倍单层厚度处，第19次偏移为距离未冲击面0.5倍单层厚度处，计算特征曲面的偏移量d_n：

式中，n为当前偏移次数。

通过上述图像的虚拟剖切，得到分层损伤的内部分布。如图4所示。图4给出了受冲击载荷后的复合材料内部分层在各个位置的面积分布。其中，横坐标表示夹层号，纵坐标表示面积。从图4可以看出，该材料冲击后的最大分层损伤位于靠近未冲击面的第19和20层的夹层处。

本发明结合超声C扫描和X射线扫描结合的方法，利用X射线计算机断层扫描技术针对板状复合材料层压板试样受冲击后的损伤进行三维无损伤检测，并量化得到损伤在材料内的分布，可以得到无损的三维损伤图像，进而可有效检测材料内部损伤的全貌，得到损伤的分布，提高材料冲击性能判断的精确度

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)通过超声C扫描确定受到冲击后的复合材料内部的最大损伤区域；

2)利用X射线计算机断层扫描技术对步骤1)得到的最大损伤区域进行扫描；

3)对步骤2)的扫描结果进行三维重构，根据灰度值区别受到冲击后的复合材料的不同组分，包括材料部分和损伤部分；

4)根据受到冲击后的复合材料的冲击面图像，利用特征曲面法获取受到冲击后的复合材料的分层分布。

2.根据权利要求1所述的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，步骤1)的具体内容为：

采用水作为耦合剂，将声波信号从探头传入受到冲击后的复合材料的内部，获取受到冲击后的复合材料内部损伤的最大损伤区域的二维图像，并在试件表面标记该最大损伤区域，以此确定X射线所要扫描的区域。

3.根据权利要求1所述的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，步骤2)的具体内容为：

将受到冲击后的复合材料固定在X射线源与信号接收器之间，确保X射线源、扫描中心与信号接收器呈一条直线，调节射线源、扫描中心、信号接收器的间距，获取所需分辨率，并根据射线透过率和强度设置射线源电压和曝光时间后，执行X射线扫描操作。

4.根据权利要求1所述的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，对步骤2)的扫描结果通过旋转和拉伸进行三维图像重构，根据灰度值将复合材料和损伤进行分区。

5.根据权利要求1所述的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，步骤4)的具体内容为：

基于步骤3)得到的三维重构结果，利用复合材料被冲击面的形状生成一个含凹坑的特征曲面，根据实际复合材料的层数、复合材料的单层厚度和冲击后的复合材料的实际厚度计算特征曲面的偏移量，通过图像的虚拟剖切，得到分层损伤的内部分布。

6.根据权利要求5所述的复合材料层压板冲击损伤三维无损检测方法，其特征在于，所述特征曲面的偏移量d_n的表达式为：

式中，n为当前偏移次数，t₀为复合材料单层厚度，Δt为复合材料受到冲击后的厚度增加量。

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