航空復(fù)合材料層壓板鉆孔分層缺陷相控陣檢測方法研究.pdf

1、復(fù)合材料作為當(dāng)今時(shí)代重要的新型材料，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、軍工等諸多重要領(lǐng)域，但它特有的層間結(jié)構(gòu)使其在鉆削加工和在役使用過程中鉆孔周圍易產(chǎn)生分層缺陷，該損傷的產(chǎn)生對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的承載能力和疲勞強(qiáng)度有很大的影響，然而傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)分辨力低，難以發(fā)現(xiàn)微小分層缺陷的產(chǎn)生，因此針對復(fù)合材料鉆孔分層缺陷損傷探索一種可靠且高分辨力的檢測方法尤為重要?；诔曄嗫仃囮嚵胁杉娜仃嚁?shù)據(jù)采集(Full Matrix Capture,FMC)技

2、術(shù)可以捕獲完備的缺陷信息，并通過全聚焦成像(Total Focusing Method,TFM)的方法將檢測信息完全恢復(fù)，因此可以極大化的提升缺陷特征的表征能力，對分層鉆孔分層缺陷具有極高的檢測分辨力。
　　本文首先從鉆孔分層缺陷的產(chǎn)生機(jī)理以及國內(nèi)外對其檢測常用的方法和研究現(xiàn)狀入手，采用數(shù)學(xué)建模的方法建立了聲場模型，用數(shù)值仿真的方法對各自的聲場特性進(jìn)行了研究。通過研究陣元寬度、陣元間距、陣元數(shù)以及聚焦深度的變化對聲場的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)

3、，陣元寬度的變化直接影響旁瓣效應(yīng)；陣元間距的變化對柵瓣效應(yīng)影響較大；一定聚焦深度條件下，隨著陣元數(shù)增多聲束帶寬變窄，聲束指向性增強(qiáng)，但是聚焦深度過小時(shí)不宜激發(fā)陣元數(shù)過多，容易導(dǎo)致旁瓣的產(chǎn)生；相同的激發(fā)陣元數(shù)條件下，聚焦深度越大，聲束指向性越佳。此研究為后續(xù)超聲相控陣檢測參數(shù)的優(yōu)化選擇提供了理論依據(jù)。
　　其次，基于全矩陣數(shù)據(jù)采集模型和全聚焦成像理論，分別通過仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了碳鋼中橫通孔的全聚焦成像檢測，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)陣列性能指標(biāo)

4、(Array Performance Indicator,API)的定義考察了陣列有效孔徑變化對成像質(zhì)量的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加陣元數(shù)或增大陣元間距都可以提升成像質(zhì)量，其中陣元數(shù)不變增加陣元間距可以在運(yùn)算時(shí)間不增加的條件下明顯改善成像效果。
　　之后，開展了復(fù)合材料層壓板鉆孔分層缺陷相控陣成像檢測的實(shí)驗(yàn)研究。搭建常規(guī)相控陣實(shí)驗(yàn)平臺，首先在優(yōu)化參數(shù)選擇的研究基礎(chǔ)上確定了針對復(fù)合材料分層缺陷檢測最優(yōu)檢測參數(shù)的區(qū)間范圍。然后，構(gòu)建

5、了全矩陣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)，確定實(shí)驗(yàn)檢測的參數(shù)，將全聚焦成像檢測結(jié)果與優(yōu)化的常規(guī)相控陣成像檢測結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，全聚焦成像檢測技術(shù)相比較常規(guī)超聲相控陣檢測對分層缺陷的分辨力有顯著優(yōu)勢，且能夠很全面的表征缺陷特征。
　　最后，利用時(shí)域有限差分法模擬了碳纖維復(fù)合材料中距離底面不同深度的分層缺陷，分別對其進(jìn)行超聲相控陣全矩陣數(shù)據(jù)采集。全聚焦成像結(jié)果表明，該技術(shù)對碳纖維分層缺陷距離底面的分辨能力最大為0.3mm，對于距離小于0.3mm的分層缺