复合材料构件的超声无损检测关键技术研究

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复合材料构件的超声无损检测关键技术研究

字体大小： - - gqgmzhang   发表于 16-02-22 17:31     阅读(31)       分类：

 【摘要】：复合材料因其优越的性能在航空航天、军事、汽车等领域被越来越广泛的使用，由于复合材料构件在生产制造和使用过程中都会产生各种类型的缺陷，大大降低构件的安全性能，因此必须采取有效的手段对其进行无损检测。 本文主要研究纤维增强树脂基复合材料构件超声无损检测中的一些关键技术，首先对各向异性复合材料内的超声波传播规律进行了研究，通过建立有效的模型对多层介质中的声场进行了计算仿真，进一步通过具体的实验测量验证了模型的正确性；其次，研究了复合材料超声检测信号的时频分析方法及复合材料空气耦合超声检测技术，并提出了一种高压气体耦合检测复合材料构件的方法；研究了变厚度复合材料构件检测时的灵敏度补偿原理并进行了实验验证；最后，研究了复杂曲面复合材料构件检测时的透射声场及换能器扫查轨迹对曲面形廓跟踪的原理及方法，在此基础上进行了硬件和软件系统的设计，研制了一套功能较完善、具有较高性能的双机械手复合材料超声自动检测系统并开展了应用实验研究。 第一章阐述了论文研究的目的和意义，对复合材料超声无损检测技术、超声检测模拟、超声检测信号时频分析、空气耦合超声检测技术及复杂形廓构件的超声检测技术国内外研究现状进行了综述和分析，并概述了本文的主要研究内容。 第二章对各向异性复合材料内的声传播规律进行了研究，在阐述有关各向异性介质中声传播知识的基础上，应用多高斯声束模型研究了超声波在复合材料内的声场分布特征，Matlab编程给出了水—复合材料—水界面的声场轴向剖面、径向剖面分布仿真结果。在透射声场仿真结果的基础上，开展了不同材质（碳纤维和玻璃纤维复合材料）、不同厚度试件的透射声场实验研究，通过实验结果与仿真结果的对比分析，给出了实际检测时接收换能器放置的最优位置。 第三章研究了超声检测信号的时频分析方法，包括短时傅立叶变换、小波变换及Wigner-Ville分布，给出了利用不同方法对信号的分析结果。重点对Hilbert-Huang变换的分析方法进行了研究，包括本征模态函数、经验模态分解及Hilbert谱分析，在此基础上对超声检测复合材料时的缺陷回波信号应用HHT进行了处理分析，获得了缺陷回波信号的经验模态分解结果，直观地揭示了原始信号的本质。 第四章对空气耦合超声检测技术在复合材料方面的应用进行了研究，通过对空气耦合换能器声场特性的分析，给出了空气耦合超声换能器的声场仿真和实验结果；提出了通过增大检测环境的压强(增加检测环境中的耦合气体密度)来提高缺陷检测精度和灵敏度的方法；搭建了空气耦合超声检测系统并给出了利用表面反射法和透射法检测复合材料构件的具体实验结果。 第五章研究了复杂形廓复合材料构件超声无损检测中的关键技术。首先分析了厚度连续变化和突变复合材料构件在超声检测时容易出现的误差，提出了检测时进行灵敏度补偿的方法并给出了具体的检测实验结果；利用多高斯声束模型计算仿真了透射法检测曲面(凸面、凹面)复合材料构件时不同曲率情况下三层介质(水—复合材料—水)中的声场分布，重点研究了透过复合材料之后的声场轴向和径向剖面分布，并给出了验证实验，最后研究了曲面检测时利用双机械手搭载超声换能器对曲面形廓跟踪的原理及扫查轨迹的路径规划。 第六章基于复杂形廓复合材料构件超声检测分析的成果，对复合材料双机械手超声自动检测系统进行了研制，搭建了系统的硬件结构框架，主要包括多关节机械手及其控制器、脉冲收发仪、高速A/D数据采集卡、喷水耦合循环系统等；使用VC#语言编写了系统的软件，包括数据采集、机械手运动控制、自动扫查成像、数据后处理等模块。应用所研发的双机械手超声自动检测系统开展了实验研究，首先对扫查轨迹中双机械手的同步进行了验证实验，在此基础上开展了多种圆筒及曲面形状复合材料构件的超声自动扫查实验，定性分析了系统对不同形状、不同类型缺陷的形廓识别能力，定量分析了系统对不同缺陷的检测分辨力。

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