CN113030260A - 一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法，通过模拟复合材料中夹杂缺陷的超声波传播过程，得到夹杂缺陷的尺寸与缺陷深度、回波幅值的关联图，通过该图可以根据超声回波位置与幅值判定夹杂缺陷大小。本发明提供了一种常规超声检测系统检测夹杂缺陷的有效手段，以实现夹杂缺陷的定量表征。

Description

一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法

技术领域

本发明涉及超声无损检测范围缺陷定量方法技术领域，具体是涉及一种玻璃纤维复合材料夹杂缺陷的大小判定方法。

背景技术

复合材料广泛应用于航空航天、汽车等领域，在工程应用中具有十分重要的地位。玻璃纤维增强复合材料在生产中，由于工艺流程大多为人工铺层，不可避免会产生各种缺陷，其中，夹杂是主要的缺陷形式之一。由于夹杂缺陷的存在，对复合材料的性能会有很大影响，使得其在使用过程中失稳破坏，大大降低材料的使用寿命。

目前复合材料缺陷检测方式众多。如目视法、敲击法、超声检测、红外热像检测、CT检测等，其中，超声检测操作简单，成本低廉，是工程上常用的无损检测方法之一。常规超声回波法只能测得缺陷回波位置与回波高度，一般采用当量法或半波高度法判定缺陷大小。在实际应用中，当量法需要制作大量的缺陷样本，虽然在精度上比较高，但是时间成本和物质成本太大，不够便捷。半波高度法需要根据最高回波幅值来回寻找缺陷两端，标记后再用尺子量出缺陷大小，不仅要求探伤员具有丰富的探伤经验，而且探伤效率非常低。

综上所述，如何应用常规超声法对复合材料夹杂缺陷进行定量表征，是复合材料工程应用迫切需要解决的问题，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：现有常规超声检测技术无法对复合材料夹杂缺陷进行定量检测，本发明提供一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法，应用数值仿真分析夹杂缺陷的超声传播特性，得到缺陷的大小与缺陷深度、回波幅值的关联图，对夹杂缺陷的大小进行定量表征。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

步骤一：有限元模拟，首先建立了复合材料玻璃钢层合物理模型，随后在模型中利用布鲁运算设置不同深度不同大小的夹杂钢，然后在缺陷中点上方加载高斯函数相关的脉冲，用来模拟超声源。分析超声波在夹杂缺陷复合材料中的传播特性，得到不同深度不同尺寸下的回波信号，对仿真所得的各点在三维面内进行插值，得到深度-幅值-尺寸三维图，获得整个深度-幅值平面内的缺陷尺寸。

步骤二：实验验证，制作不同大小不同深度的夹杂钢缺陷玻璃钢试样，并对试样进行超声检测。根据回波幅度最大值，找到缺陷的中心位置，得到中心位置处的超声回波信号，对实验回波幅值与仿真振动位移进行标定后，对比验证仿真结果。由于仿真加载的是振动信号，得到的是位移量，而实际检测时得到的结果一般是电压相关的值，为了统一量化，必须将两者进行标定。将实验中给定深度尺寸下测得的电压幅值，除以仿真中得到的对应深度尺寸的位移幅值，得到标定倍数。应用此标定倍数，实现仿真位移幅值与实验电压幅值的标定。

步骤三：缺陷定量，对未知试样进行超声检测，根据测得的最大回波的位置与幅值，利用深度-幅值-尺寸图得出缺陷大小，对夹杂缺陷进行定量表征。

本发明提供一种用于复合材料夹杂缺陷的大小判定方法，与现有技术相比有以下优点：

本发明克服了传统常规超声无法定量表征夹杂缺陷的不足，通过数值仿真模拟超声波在含夹杂缺陷的玻璃钢中传播过程，对仿真所得的各点在三维面内进行插值，得到深度-幅值-尺寸图，获得整个深度-幅值平面内的缺陷尺寸。在实际检测过程中，根据测得的回波位置与幅值由深度-幅值-尺寸图判定缺陷大小。此方法效率高，成本低，实现夹杂缺陷的准确定量，具有巨大的工程应用价值。

附图说明

图1有限元玻璃钢物理模型(a)无缺陷；(b)含夹杂缺陷。

图2高斯脉冲函数图。

图3不同时刻下超声波在复合材料中的传播(a)10.1μs；(b)11.1μs；(c)12.0μs。

图4深度为12.2mm下回波信号图(a)整体回波信号图；(b)缺陷回波放大图。

图5深度-幅值-尺寸图(a)不同深度下缺陷幅值-尺寸仿真图；(b)深度-幅值-尺寸三维插值图。

图6样品制作-TRM工艺流程图。

图7实验样品缺陷大小及位置排布三视图。

图8样品图(a)实验缺陷位置排布图；(b)玻璃钢实物图。

图9深度21mm下不同尺寸的夹杂钢缺陷超声信号图(a)3mm；(b)10mm。

图10仿真结果与实际尺寸误差图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的定量方法包括以下步骤：

1)建立玻璃钢层合物理模型，如图1所示，(a)图为无缺陷玻璃钢物理模型，(b)图为含夹杂缺陷的玻璃钢物理模型。在模型中设置了不同大小和不同深度的夹杂钢缺陷，缺陷大小和深度如表1所示，取了5个不同的深度，分别为12.2，15.2，18.2，21.2，24.2mm，在每个深度下缺陷大小从1到10mm进行变化。在缺陷的正上方施加如图2所示的高斯脉冲，超声波在复合材料中的传播特性如图3所示，从图中可以看出超声波在复合材料中传播，遇到夹杂钢后反射，直至表面的传播过程。图4为深度是12.2mm下不同尺寸缺陷的回波信号图，其中(a)图整体回波信号图，(b)图为缺陷回波放大图，从(a)图中可以明显看到超声始波，缺陷回波以及底面回波的位置，(b)图中可以看出，随着缺陷尺寸的增加，缺陷回波幅值越来越高，这是由于尺寸越大，超声波被阻挡反射的能量就越多导致的。

2)分析不同深度不同尺寸下超声波在复合材料中的传播特性，将缺陷回波信号整理得到如图5(a)所示的不同深度下缺陷幅值-尺寸仿真图，从图中可以看出，在缺陷深度不变的情况下，回波幅值随缺陷的尺寸增加而增加，在缺陷尺寸固定的情况下，回波幅值随缺陷深度的增加而降低，这是由于缺陷尺寸越大，反射的能量越大，缺陷越深，超声波在传播过程中的衰减越大，回波幅值也就越低。对仿真结果进行插值，得到深度-幅值-尺寸三维插值图，如图5(b)，获得整个深度-幅值平面内的缺陷尺寸。

3)玻璃钢制作工艺为RTM-真空灌注工艺，工艺流程如图6所示，使用的环氧树脂AB胶型号为：E806A，H806B，使用的玻璃纤维型号为：DB800-1270，玻璃纤维为46层，玻璃钢总厚度为32.2mm，宽为250mm，长为450mm，实验制作玻璃钢具体尺寸及具体缺陷设置如图7所示。缺陷材质、大小如表2所示，缺陷位置如图8(a)所示，成品玻璃钢如图8(b)所示。

表1仿真缺陷深度和尺寸表

表2样品缺陷材质与大小

4)缺陷检测设定超声仪器参数，如表3所示，超声检测仪参数设定好后进行检测。将探头放置在缺陷位置处，缓慢调整探头位置，观察超声仪器波形显示屏的回波幅度，找到缺陷回波的最大回波，记录此时的波形数据。按此方式，测所有缺陷回波信号，21mm深度下尺寸为3mm和10mm的缺陷超声回波波形分别如图9(a)和9(b)所示。

表3超声仪器参数设置表

5)将步骤4)中得到的幅值，与步骤2)仿真得到的幅值进行对比分析，在进行对比预测时，由于仿真加载的是位移脉冲，而实际检测时得到的结果一般是与电压相关的值，为了统一量化，必须将两者之间的数值进行标定。将实验中某深度某尺寸下对应的幅值，除以仿真中得到的此深度下此尺寸的对应幅值，得到一个标定倍数。随后将实验中所有的幅值除以标定倍数，此时仿真幅值与实验幅值就能在单位量上进行统一。对比误差如图10所示，从图中可以看到，仿真得到的幅值与实测幅值误差较小，说明仿真分析得到的结果能对实际玻璃钢中的缺陷大小的定量分析做出很好的预测判定。

6)对未知试样进行超声检测，根据测得的最大回波的位置与幅值，利用深度-幅值-尺寸图得出缺陷大小，对夹杂缺陷进行定量表征。

Claims (3)

1.一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法，其特征在于，所述具体包括以下步骤：

步骤一：有限元模拟，首先建立了复合材料玻璃钢层合物理模型，随后在模型中利用布鲁运算设置不同深度不同大小的夹杂钢，然后在缺陷中点上方加载高斯函数相关的脉冲，用来模拟超声源。分析超声波在夹杂缺陷复合材料中的传播特性，得到深度-幅值-尺寸图。

步骤二：实验验证，制作不同大小不同深度的夹杂钢缺陷玻璃钢试样，并对试样进行超声检测。根据回波幅度最大值，找到缺陷的中心位置，得到中心位置处的超声回波信号，对实验回波幅值与仿真振动位移进行标定后，对比验证仿真结果。

步骤三：缺陷定量，对未知试样进行超声检测，根据测得的最大回波的位置与幅值，利用深度-幅值-尺寸图得出缺陷大小，对缺陷进行定量表征。

2.根据权利要求1所述一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法，其特征在于，所述步骤一中深度-幅值-尺寸图，是通过模拟超声在复合材料中的传播，得到不同深度不同尺寸下的回波信号，对仿真所得的各点在三维面内进行插值，得到深度-幅值-尺寸三维图，获得整个深度-幅值平面内的缺陷尺寸。

3.根据权利要求1所述一种用于复合材料夹杂缺陷的定量方法，其特征在于，所述步骤二对实验回波幅值与仿真振动位移进行标定，由于仿真加载的是振动信号，得到的是位移量，而实际检测时得到的结果一般是电压相关的值，为了统一量化，必须将两者进行标定。将实验中给定深度尺寸下测得的电压幅值，除以仿真中得到的对应深度尺寸的位移幅值，得到标定倍数。应用此标定倍数，实现仿真位移幅值与实验电压幅值的标定。

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