基于隨機(jī)孔隙模型的CFRP孔隙率超聲檢測(cè)研究.pdf

1、孔隙是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbonfiberreinforcedplastics，CFRP)中最常見(jiàn)并且對(duì)使用性能有重要影響的缺陷。準(zhǔn)確可靠的孔隙率(P=1％～5％)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成為航空航天領(lǐng)域的迫切工程需求。超聲衰減法原理明確、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且受纖維含量等的影響較小，在孔隙率無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中受到較多關(guān)注。盡管國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者圍繞CFRP孔隙率衰減法檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論分析開(kāi)展了大量工作，但至今尚未建立能用于工程實(shí)踐的孔隙率無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。其

2、中重要原因之一，在于未能建立能夠客觀描述含孔隙復(fù)合材料彈性性能的理論模型，難以給出孔隙與超聲波散射衰減系數(shù)之間的本質(zhì)相關(guān)性。現(xiàn)有理論模型在計(jì)算超聲散射衰減時(shí)通常將孔隙簡(jiǎn)化為規(guī)則的球形和/或圓盤形，再推導(dǎo)波動(dòng)方程的解析解。此法雖然具有簡(jiǎn)單、快速等特點(diǎn)，但其引入的假設(shè)偏離了實(shí)際復(fù)合材料中孔隙的形貌特征，導(dǎo)致理論分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間存在明顯偏差。 為研究CFRP孔隙與超聲波散射衰減系數(shù)之間的本質(zhì)相關(guān)性，減小理論值與實(shí)驗(yàn)值間的偏差，本

3、文從改善CFRP孔隙的數(shù)學(xué)描述手段入手，建立了以隨機(jī)過(guò)程為理論基礎(chǔ)、以實(shí)測(cè)CFRP孔隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依托的隨機(jī)孔隙模型。該模型源于地質(zhì)學(xué)中的隨機(jī)介質(zhì)理論，本文利用極值搜索法對(duì)其進(jìn)行了適應(yīng)性改造，并利用正交試驗(yàn)分析了各構(gòu)造參數(shù)對(duì)隨機(jī)孔隙模型結(jié)果的影響，進(jìn)而利用實(shí)測(cè)CFRP孔隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為參照，對(duì)重要構(gòu)造參數(shù)(自相關(guān)長(zhǎng)度a與b、自相關(guān)長(zhǎng)度比r=a/b及分區(qū)邊長(zhǎng)D)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。由于采用了實(shí)測(cè)孔隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隨機(jī)孔隙模型較傳統(tǒng)方法，能夠更準(zhǔn)確地利用

4、數(shù)學(xué)手段描述CFRP孔隙特征，這為研究CFRP孔隙對(duì)超聲波的散射作用提供了理論支持。 本文利用時(shí)域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD)，對(duì)基于隨機(jī)孔隙模型生成的240個(gè)CFRP截面(孔隙率P=0.03％～4.96％)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了超聲衰減系數(shù)與孔隙率間的理論關(guān)系曲線。 在實(shí)驗(yàn)方面，利用底板反射法對(duì)孔隙率P=0.03％～4.96％的預(yù)浸料熱壓成型碳纖維單向增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合板