CN112630308A - 一种用于复合材料修理后超声检测的试块 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于复合材料修理后超声检测的试块，该试块由母片(1)和补片(2)组成，在母片(1)的中心处加工有一个圆锥形盲孔或圆锥形通孔，在该圆锥形盲孔或圆锥形通孔内设置与其形状、体积相匹配的补片(2)，在补片(2)内设置分层缺陷，在补片(2)与母片(1)的圆锥形盲孔或圆锥形通孔的贴合面(3)上设置脱粘缺陷。该试块考虑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，更能反映复合材料损伤特点，结合损伤修理区超声检测的特点，给出的评价方法等更加适合复合材料修理区的超声检测与缺陷评定，从而更有利于提高修理检测的可靠性和修理缺陷评定的准确性。
Description
技术领域
本发明是一种用于复合材料修理后超声检测的试块，属于测量、测试技术领域。
背景技术
随着复合材料在航空、建筑、交通等领域的广泛使用，基于复合材料的各种结构已在许多工程领域得到非常重要的服役应用。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。为了确保复合材料结构原有的预期承载能力和功能，需要对受到损伤的复合材料结构进行及时有效的修理。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。因此，工程上，通常都需要对复合材料结构损伤区的修理质量进行100％的无损检测。超声是修理检测的一种主要无损检测方法，目前采用的检测方法是，利用包含已知损伤的对比试块，获取用于判别损伤阈值的检测信号和检测参数设置，然后基于所设置的检测信号阈值和检测参数设置，对复合材料损伤修理区进行超声检测。因此，对比试块的设计及其缺陷/损伤设置的合理性非常重要。目前用于复合材料损伤修理超声检测的对比试块设计与评价方法的主要不足是：(1)只考虑了复合材料制造阶段的材料、工艺、结构特点，没有考虑复合材料损伤修理的特点；(2)缺陷的设置没有反映复合材料损伤特点；(3)没有结合损伤修理区超声检测的特点给出相应的评价方法。
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试块，其目的是使复合材料修理区域的超声检测更加准确并形成对缺陷的评定标准。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案是基于超声波反射特点和损伤修理区的几何特征，提出了一种用于复合材料修理超声检测的试块，该试块的设计考虑了复合材料损伤修理的工艺特点、损伤区域的几何特征，以及由此带来超声检测信号的变化对修理区缺陷的影响，具体内容如下：
该种用于复合材料修理后超声检测的试块由母片1和补片2组成，母片1与被修理零件的复合材料相同，补片2与修理用复合材料相同，在母片1的中心处加工有一个圆锥形盲孔或圆锥形通孔，在该圆锥形盲孔或圆锥形通孔内设置与其形状、体积相匹配的补片2，母片1与补片2之间采用与损伤修理相同的胶接工艺胶接而成，在补片2内设置分层缺陷，在补片2与母片1的圆锥形盲孔或圆锥形通孔的贴合面3上设置脱粘缺陷。
在一种实施中，母片1与被修理零件的复合材料相同是指母片1的材料、铺层及固化工艺与被修理零件的复合材料一致。
在一种实施中，补片2与修理用复合材料相同是指补片2的材料、铺层及固化工艺与修理用的复合材料一致，且补片2的纤维方向与母片1的纤维方向平行。
在一种实施中，补片2的厚度H与圆锥形盲孔或圆锥形通孔侧壁与底部之间的夹角α满足以下关系式：
式中：D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
在一种实施中，母片1的形状长方形，其长度为L，宽度为W，两者满足以下关系式：
L＝(1.0～1.5)×W 公式2。
在一种实施中，所述圆锥形盲孔的大直径一端为开口端。
在一种实施中，所述圆锥形盲孔或圆锥形通孔的开口端的边缘距母片1边缘的距离L1满足以下关系式：
L1＝(1.0～2.0)D 公式3
式中：D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
在一种实施中，母片1的长度为L满足以下关系式：
L＝2L1+D 公式4
式中：L1为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的开口端的边缘距母片1边缘的距离，D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
在一种实施中，根据修理验收条件，所述分层缺陷为处于不同厚度、不同面积大小的数个分层缺陷。
在一种实施中，根据修理验收条件确定，所述脱粘缺陷为处于不同厚度、不同面积大小的数个脱粘缺陷。
对该种试块进行评定时，采用超声反射法对试块进行检测，在母片1、补片2的非预置缺陷区内的超声波衰减差异Δ1<6dB时，评定合格；母片1与补片2的贴合面3上没有脱粘区与脱粘缺陷位置的超声波衰减差异Δ2>6dB时，评定合格；补片2的没有分层区与补片2内的分层缺陷位置的超声波衰减差异Δ3>6dB时，评定合格。上述评定时采用高分辨率超声A、B、C扫描方法，超声扫描的频率选择范围为2MHz-10MHz。
本发明技术方案所述试块是基于超声波反射特点和损伤修理区的几何特征和超声反射法检测与缺陷识别原理提出的，该试块更准确地通过超声检测信号的变化来表现修理区缺陷，进而更准确地反映复合材料损伤特点，结合损伤修理区超声检测的特点，给出的评价方法等更加适合复合材料修理区的超声检测与缺陷评定，有利于提高修理检测的可靠性。
附图说明
图1为本发明述试块的形状及结构示意图
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：
参见附图1所示，本实施例中的试块的母片(1)选择4mm、8mm、10mm三种厚度的碳纤维复合材料层压试块，其中4mm厚度的母片(1)长度L和宽度W分别为900mm，8mm厚度的母片(1)长度L和宽度W分别为800mm，10mm厚度的母片(1)长度L和宽度W分别为750mm，母片(1)与被修理零件的复合材料相同，补片(2)与修理用复合材料相同，且补片(2)的纤维方向与母片(1)的纤维方向平行，在母片(1)的中心处加工有一个圆锥形通孔，在该圆锥形通孔内设置与其形状、体积相匹配的补片(2)，在补片(2)内设置分层缺陷，在补片(2)与母片(1)的圆锥形通孔的贴合面(3)上设置脱粘缺陷。4mm厚度的碳纤维复合材料选择D＝300mm、d＝100mm,8mm厚度的碳纤维复合材料选择D＝200mm、d＝50mm,10mm厚度的碳纤维复合材料选择D＝150mm、d＝30mm,4mm、8mm、10mm厚度试块的分层缺陷分别处于近补片(2)表面、补片(2)中间深度、近补片(2)底面的厚度位置,每种厚度位置上分层缺陷的直径Φ1、Φ2、Φ3、Φ4分别为6mm、9mm、12mm、19mm,4mm、8mm、10mm厚度试块的脱粘缺陷分别处于近补片(2)表面、补片(2)中间深度、近补片(2)底面的厚度位置,每种厚度位置上脱粘缺陷的直径φ1、φ2、φ3、φ4分别为6mm、9mm、13mm、20mm，制备了三种不同厚度的修理超声检测用试块，采用中航复合材料有限责任公司生产的CUS-21J超声检测，频率选择2、5、10MHz，分别对所设计制备的试块进行了超声A、B、C扫描检测与评定，结果表明，均能满足Δ1<3dB、Δ2>6dB，Δ3>6dB，取得了较好的实际检测效果。
Claims (10)
1.一种用于复合材料修理后超声检测的试块，其特征在于：该试块由母片(1)和补片(2)组成，母片(1)与被修理零件的复合材料相同，补片(2)与修理用复合材料相同，在母片(1)的中心处加工有一个圆锥形盲孔或圆锥形通孔，在该圆锥形盲孔或圆锥形通孔内设置与其形状、体积相匹配的补片(2)，在补片(2)内设置分层缺陷，在补片(2)与母片(1)的圆锥形盲孔或圆锥形通孔的贴合面(3)上设置脱粘缺陷。
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试块，其特征在于：母片(1)与被修理零件的复合材料相同是指母片(1)的材料、铺层及固化工艺与被修理零件的复合材料一致。
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试块，其特征在于：补片(2)与修理用复合材料相同是指补片(2)的材料、铺层及固化工艺与修理用的复合材料一致，且补片(2)的纤维方向与母片(1)的纤维方向平行。
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试块，其特征在于：补片(2)的厚度H与圆锥形盲孔或圆锥形通孔侧壁与底部之间的夹角α满足以下关系式：
式中：D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
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试块，其特征在于：母片(1)的形状长方形，其长度为L，宽度为W，两者满足以下关系式：
L＝(1.0～1.5)×W 公式2。
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试块，其特征在于：所述圆锥形盲孔的大直径一端为开口端。
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试块，其特征在于：所述圆锥形盲孔或圆锥形通孔的开口端的边缘距母片(1)边缘的距离L1满足以下关系式：
L1＝(1.0～2.0)D 公式3
式中：D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
8.根据权利要求5所述的用于复合材料修理后超声检测的试块，其特征在于：母片(1)的长度为L满足以下关系式：
L＝2L1+D 公式4
式中：L1为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的开口端的边缘距母片(1)边缘的距离，D为圆锥形盲孔或圆锥形通孔的大直径一端的直径。
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试块，其特征在于：根据修理验收条件，所述分层缺陷为处于不同厚度、不同面积大小的数个分层缺陷。
10.根据权利要求1所述的用于复合材料修理后超声检测的试块，其特征在于：根据修理验收条件确定，所述脱粘缺陷为处于不同厚度、不同面积大小的数个脱粘缺陷。
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