碳纤维复合材料超声背散射信号递归分析及缺陷检测研究

发布时间：2020-06-26 18:24

【摘要】：随着制造技术进步和结构性能需求,碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)呈现出铺层结构复杂、层数多、厚度大的发展趋势。厚截面CFRP制造工艺复杂,温度梯度、残余应力等工艺问题常导致纤维分布不均、富树脂、纤维弯曲等制造缺陷的出现。在厚截面CFRP构件中,缺陷出现位置随机、尺寸大小各异,早期微小制造缺陷在构件服役过程发展成为严重缺陷、大型构件的远端缺陷因远离检测表面而无法检测得到等问题,对CFRP中缺陷的检测和表征提出了新的要求。超声检测方法是应用最广泛的无损检测手段之一,可通过不同设备实现,而使用单侧同探头发射、接收的脉冲反射法是最直接、最实用的超声检测方法。脉冲反射法得到的信号包含超声脉冲在材料中传播行为的丰富信息,信号各部分均被有效应用于CFRP的缺陷检测:基于底面回波信号能量变化的缺陷检测、基于近表面背散射信号中脉冲共振行为的缺陷检测、基于背散射信号中异常能量成分的缺陷检测等。然而,针对厚截面CFRP中远离检测表面的微小缺陷来说,脉冲反射法的使用受到限制:远表面背散射信号中共振频率成分几乎消失;超声脉冲的衰减随传播距离增加而增大、底波甚至会完全消失;CFRP内部固有不均匀性也将在背散射信号中形成异常反射回波等。种种限制因素表明,对于厚截面CFRP远表面微缺陷的超声检测来说,基于信号能量的缺陷检测方法局限性较大,需要从新的角度考虑缺陷表征方法。时间序列分析依据数据之间的相互关系来研究系统发展规律,对信号绝对幅值的要求不高,可用于远表面背散射信号分析。线性时间序列分析模型简单、易于实现,对平稳性信号具有较好预测效果。然而CFRP复杂的铺层结构和超声脉冲复杂的传播行为使得超声信号局部统计特性随时间变化、具有不平稳性,并且实验条件限制下采集得到的超声时间序列长度较短,线性时间序列分析的平稳性假设前提及数据量要求无法得到满足,因此不宜用于厚截面CFRP超声信号分析。非线性时间序列分析方法如递归分析通过研究相空间中轨迹的递归行为近似得到系统演化规则,摆脱了平稳性假设的限制,并且可对短时非平稳信号进行分析,对厚截面CFRP远表面微缺陷的检测具备较大可行性。因此,本文使用脉冲反射法对厚截面CFRP远表面缺陷进行检测,并使用非线性时间序列分析方法对超声背散射信号进行分析研究,以提高传统背散射信号分析法的缺陷检测能力。本文具体内容包括以下几个方面:(1)对CFRP应用场景及研究现状进行介绍,针对传统超声检测方法和先进超声检测技术的优缺点进行分析,并论述了对背散射信号进行非线性时间序列分析的可行性。(2)对脉冲反射过程进行线性模型分析,对背散射信号形成过程、组成及线性特征进行分析,并对CFRP内部结构及缺陷对背散射信号的影响进行研究。(3)对非线性时间序列分析理论进行阐述,介绍了相空间重构理论,并对实际不同厚度的CFRP背散射信号进行相空间分析,得到背散射信号轨迹特征,分析了最佳重构参数与材料结构的关系。(4)介绍了基于相空间重构的分析工具-递归分析方法,包括递归图(Recurrence Plot,RP)和递归定量分析(Recurrence Quantification Analysis,RQA)。通过研究不同厚度材料的递归图确定了相应阈值参数的选择并定性认识了背散射信号结构特征,进而得到各CFRP试样背散射信号的递归定量参数以量化背散射信号非线性。递归定量分析结果表明厚截面CFRP背散射信号远表面部分存在极大不平稳性。(5)针对远表面背散射信号不平稳性,对超声信号的长期行为进行统计分析并使用统计RQA值进行描述。设计对比实验,在同一块厚截面复合材料中,分别在无缺陷区域和有缺陷区域进行重复测量得到若干组信号,以组为单位进行RQA分析。对每组RQA变量进行统计可得到信号不平稳性的表征量:RQA中位数及四分位距。通过有无缺陷区域统计RQA值的对比分析可知缺陷产生的影响,据此可有效判别远表面人工缺陷的存在。(6)对超声检测设备参数与远表面背散射信号间的关系进行实验研究,并使用局部轨迹预测去噪方法对信号进行处理。使用不同采样频率采集设备及不同中心频率的超声探头对厚截面CFRP进行检测,研究不同实验条件下所得背散射信号的相空间重构参数的差异。分别使用时域平均方法、小波阈值去噪方法及基于局部轨迹预测的去噪方法对背散射信号进行处理,结果表明局部轨迹预测去噪方法同小波阈值去噪方法均可有效去除噪声、还原系统结构,但两种方法对背散射信号成分的去除有不同侧重。(7)正文末尾部分对全文进行总结,针对所提出的方法的不足进行分析,并对未来可能的研究方向进行展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TB302.5
【图文】：

树脂层,纤维层厚度,纤维层,结构示意图

层状ＣＦＲＰ通常由纤维层和树脂层以一定的铺层方式堆叠固化而成。纤维层由一定体逡逑积分数的碳纤维和树脂混合而成，树脂层在纤维层之间起粘合连接作用。具有不同铺层方逡逑向的ＣＦＲＰ典型结构如图２．１所示逡逑逦纤维层逡逑树脂层逡逑yU歐》恀棚遍焌：逡逑逦树脂层逡逑纤维层逡逑逦树脂层逡逑逦树脂层逡逑逦纤维层逡逑树脂层逡逑次徽徽漏桯＾逡逑逦树脂层逡逑图２．１典型ＣＦＲＰ结构示意图逡逑其中，纤维层厚度一般在０．１－０．３ｍｍ之间，树脂层厚度一般在０．００３－０．０１ｍｍ之间。纤维逡逑１６逡逑

示意图,脉冲反射法,超声信号,示意图

由于树脂层与纤维层声阻抗不同，又由于不同方向的纤维层的存在导致材料特逡逑性的变化，超声波将会经历复杂的反射和透射过程而最终被采集设备记录下来。典型的超逡逑声波信号如图２．２所示，由脉冲反射法得到。逡逑｜｜｜卜⑶逡逑．ｒ邋＇逡逑－ｆ逦Ｉ逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑０逦２逦４逦６逦８逦１０逡逑时间（｜ｉｍ）逡逑图２．２典型ＣＦＲＰ脉冲反射法超声信号示意图逡逑图中的信号是对一块厚度为ｌ0ｍｍ、纤维层数８０层的厚截面ＣＦＲＰ，以中心频率为逡逑７．５ＭＨｚ的超声平探头进行脉冲反射法得到的信号。从图３．２中可以看出，超声波信号可逡逑以分为几个部分：前表面回波、底面回波、背散射信号。观察背散射信号时域特征，可以逡逑发现出现前表面快速衰减的高幅值信号及后半段幅值较小的信号。从信号时频分析图上可逡逑以看出，前半部分信号能量大、频率高，甚至高于探头中心频率。这是当纤维层厚度与超逡逑声波波长满足一定条件时，在材料距离探头近表面处还会产生超声波共振，在记录得到的逡逑超声波信号的时域和频域中出现共振特征。后半部分背散射信号能量低、幅值小，在时频逡逑图中已不能清晰地表现其特征，与前半部分共振信号差异较大，主要由散射噪声、非声学逡逑噪声及可能存在的缺陷反射、散射信号组成。逡逑２．２．２平面声波在粘滞介质中特性逡逑声波在粘滞介质中传播时

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