航空泡沫芯材及夹层结构的太赫兹无损检测研究

发布时间：2017-10-05 11:13

  本文关键词：航空泡沫芯材及夹层结构的太赫兹无损检测研究

  更多相关文章： 太赫兹无损检测 太赫兹时域脉冲 航空泡沫芯材 泡沫夹层结构 超分辨率重建

【摘要】：先进泡沫芯材,如聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫、航空级聚氯乙烯(Polymethacrylimide,PVC)泡沫,以其全闭孔、比强度高、高延展性、易设计、稳定、兼容及阻燃性好等在多个高科技领域的重要部件得到应用。然而,在生产、服役过程中,泡沫芯材及夹层结构难免出现各种缺陷,造成安全隐患。因此,发展无损检测探伤技术对确保泡沫芯材及夹层结构的使用安全非常必要。而泡沫材料的一些特有性质使得经典无损检测手段效果不佳。太赫兹辐射对泡沫材料的半透明性,使其在该类材料的无损检测方面潜力巨大,与传统技术形成互补。对于相关技术的研究,在国内外各大研究机构均有开展,尤其是美国宇航局,在航天飞机事故之后高度重视,但研究对象为聚氨酯(Polyurethane,PU)泡沫的报道较多。先进泡沫芯材的制备与运用,给泡沫材料太赫兹波段的无损检测带来了新的研究课题。本文以高性能航空级PMI、PVC泡沫芯材及其夹层结构为研究对象,基于THz-TDS无损检测技术,对其可能出现的四种主要缺陷展开了系统的研究工作,为该项技术在复合材料无损检测及探伤方面的实际应用提供了重要的数据及技术基础。本文主要研究内容及结论如下:(1)航空级先进泡沫芯材的太赫兹光谱实验研究。本文的研究对象选择德固赛PMI泡沫及戴铂高性能PVC泡沫,它们是目前用于航空领域最广泛的泡沫芯材,以其为芯材的夹层结构性能明显优于蜂窝结构。本文首先对样本泡沫的太赫兹脉冲传输率、折射率及吸收系数等参数进行了分析。0.1~1THz频带内10mm厚的51HF/WF,71HF/WF四种型号的PMI泡沫芯材的折射率约为1.0271,1.0379,1.0412和1.0549;戴铂5mm厚的HT61/81/110/131四种型号的PVC泡沫芯材的折射率约为1.0219,1.0255,1.0375和1.0445。且折射率随频率有渐增趋势但不明显。研究发现:泡沫芯材对太赫兹脉冲的吸收系数随频率的变化关系与泡沫内部微结构直径相关,且密度越大折射率越大。(2)泡沫内部微结构直径大小与入射太赫兹脉冲的损耗关系研究。为进一步验证泡沫芯材太赫兹光谱特性实验的研究结果,实验选择相同厚度不同泡沫内部微结构直径的PMI泡沫芯材为样本。基于米氏散射理论,建立散射模型结合泡沫微结构直径分布函数进行数值模拟,并与实测数据对比。结果表明:泡沫对太赫兹波的能量损耗由散射而非吸收引起。且泡沫芯材的内部微结构直径越大散射越强烈,损耗越大。这一结论,为下一步分析研究泡沫复合结构的太赫兹无损检(Terahertz nondestructive testing,THz-NDT)测提供了理论分析基础。(3)泡沫-铝结构的THz-TDS无损检测研究。铝合金蒙皮是航天领域常用的一种蒙皮形式,本文以泡沫-铝结构为样本,基于太赫兹波对极性材料的强反射性,采用THz-TDS反射模式,对预置的脱粘、夹杂、空洞、裂纹四种缺陷进行了无损检测研究。研究结果表明:铝板与泡沫间的脱粘程度与主反射波的波前峰的变化有关。脱粘程度越大,波前和无缺陷反射波的延迟越大,通过曲线拟合给出了波前最大值相位与脱粘程度的函数关系。应用该延时特征进行太赫兹脉冲的反射成像,脱粘程度明显地与此特征相关,脱粘程度的不同在图像中表现出明显的灰度变化,能实现44mm的脱粘程度区分。夹杂和脱粘缺陷的区分主要依赖主反射波的相位变化,具体与泡沫、夹杂物和空气相对折射率有关。空洞缺陷成像特点为中心亮边缘暗。空洞中心的泡沫厚度可通过时延大小来计算。空洞位置对检测结果的影响主要表现在太赫兹波在PMI泡沫表面散射强烈,能量消耗较大,而接近基板的空洞反射更强,成像更清晰,更易被识别。裂纹特征则表现为对反射波振幅的调制。本文通过背景扫描去除噪声,应用吸收系数成像方法提高了检测的分辨能力,该方法比其他方法有更好的成像对比度。实验研究表明:应用THz-TDS反射成像模式对泡沫-铝结构中隐藏在泡沫内部、泡沫芯材与金属蒙皮间的多种缺陷检测有效。(4)玻璃纤维泡沫芯材夹层结构太赫兹无损检测实验研究。本文模拟设计了某型号运载火箭泡沫芯材玻璃纤维夹层结构并预置了脱粘、夹杂、空洞及裂纹四种缺陷。在测试前,对预置所用的共挤改性尼龙、玻璃纤维预浸料(Glass fiber prepreg,GFRP)以及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)复合材料的太赫兹光谱特性进行了研究。研究结果表明,玻璃纤维预浸料与PTFE复合材料的折射率十分相近约为2.2,远大于PTFE涂层的折射率1.3。据此,分析了太赫兹脉冲在脱粘情况下的传播模式。在对泡沫芯材玻璃纤维夹层结构的预置缺陷无损检测实验中,分别采用透射、反射两种模式,太赫兹波均从无缺陷面入射。研究结果表明:太赫兹脉冲扫描透射成像方式对脱粘、空洞、裂纹三种类型均可检测,但脱粘检测效果一般,夹杂缺陷则基本不能识别。反射模式下,扩展时域窗口的特征谱信息,可明显改善检测效果。灰度值拉伸后效果更佳,能够实现脱粘程度、夹杂厚度的区分,检测结果能够满足量化检测要求。虽然采用吸收系数成像方法,效果较明显,但操作相对复杂。因此,空洞和裂纹的检测更适合THz-TDS透射成像模式。(5)基于小波域隐马尔可夫随机场(Wavelet domain hideden Markov random field model,WDHMM)的超分辨率重建(Super resolution reconstruction,SR)算法设计及在太赫兹脉冲无损检测中的应用。本文研究并设计了WDHMM SR算法。从分析提高分辨率的手段入手,结合THz-TDS成像机理,对低频及高频多幅含有缺陷特征信息的图像建立WDHMM,实现小波系数优化,并结合双二次多项式插值,实现了透射式泡沫玻璃纤维夹层结构的脱粘、夹杂以及直径3mm的空洞缺陷的成像效果改善。分析结果表明:从直观效果及客观评价上看,将WDHMM SR算法应用于THz-TDS的检测结果均优于一般SR重建效果。且该算法省去多次扫描环节,降低了检测时间,增强了时效性。本文创新点:(1)对多种型号PMI、PVC航空级泡沫芯料的太赫兹光谱特性进行系统研究,获得密度与泡沫折射率的关系,以及泡沫内部微结构直径大小对太赫兹波损耗的影响。(2)详细分析了泡沫材料内部微结构直径与太赫兹损耗的关系,并通过米氏散射数值模拟解释了损耗主要由散射而非吸收引起。(3)系统研究了泡沫铝结构的蒙皮脱粘程度与波前变化的关系,得到了脱粘程度与无缺陷处时延的函数关系式。应用该特征成像,检测脱粘区分精度44mm,突破了常用成像方法的局限。(4)将THz-TDS无损检测技术应用于泡沫芯材玻璃纤维夹层结构多种缺陷的系统研究。通过调整延时的方法,克服了只检测主反射波而无法对底层缺陷检测的难题。(5)提出将WDHMM降噪算法与双二次多项式插值相结合应用于THz-NDT成像的超分辨率重建。成像效果改善明显,为提高应用THz-TDS技术对厚泡沫中较小缺陷的检测能力提供了新的解决思路。
【关键词】：太赫兹无损检测 太赫兹时域脉冲 航空泡沫芯材 泡沫夹层结构 超分辨率重建
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V250.2
【目录】：

• 前序4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-18
• 第1章 绪论18-28
• 1.1 研究背景和意义18-21
• 1.1.1 航空泡沫芯材及缺陷类型概述18-19
• 1.1.2 复合材料常用无损检测方法19-20
• 1.1.3 太赫兹应用于泡沫芯材无损检测中的优势20-21
• 1.2 国内外研究现状21-26
• 1.2.1 国外研究现状22-23
• 1.2.2 国内研究现状23-25
• 1.2.3 泡沫及其复合结构的太赫兹无损检测难点25-26
• 1.3 本文主要研究内容26-28
• 第2章 THz-TDS技术理论分析基础28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 THz-TDS系统工作原理28-30
• 2.3 THz-TDS系统参数理论分析30-31
• 2.3.1 THz-TDS的频谱分辨率30
• 2.3.2 THz-TDS的频谱信噪比计算30-31
• 2.4 太赫兹波段材料光学特性参数提取原理31-37
• 2.4.1 透射模式下THz-TDS系统参数提取方法32-36
• 2.4.2 反射模式下折射率的计算36
• 2.4.3 太赫兹波段材料吸收系数的计算36-37
• 2.5 THz-TDS光谱成像方法37-39
• 2.5.1 时域成像方式基本原理37-38
• 2.5.2 频域成像方式基本原理38-39
• 2.6 THz-TDS成像技术相关参数39-41
• 2.6.1 成像分辨率及景深39-40
• 2.6.2 成像结果的信噪比40-41
• 2.6.3 成像结果的均方差41
• 2.7 本章小结41-42
• 第3章 航空泡沫芯材的太赫兹光谱特性实验研究42-68
• 3.1 实验用THz-TDS系统简介42-44
• 3.1.1 实验平台42
• 3.1.2 主要技术参数42-44
• 3.2 先进航空泡沫芯材44-45
• 3.2.1 德固赛PMI44
• 3.2.2 戴铂HT系列PVC44-45
• 3.3 太赫兹波段泡沫芯材光谱特性实验45-47
• 3.3.1 样本准备45-46
• 3.3.2 泡沫芯材的太赫兹波段透射实验46-47
• 3.3.3 泡沫芯材的太赫兹波段反射实验47
• 3.4 航空泡沫芯材的太赫兹波段实验数据及分析47-52
• 3.4.1 PMI泡沫芯材的太赫兹波段实验数据分析48-51
• 3.4.2 PVC泡沫芯材的THz-TDS透射实验51-52
• 3.5 航空泡沫芯材太赫兹波段光学常数获取52-59
• 3.5.1 PMI泡沫芯材的太赫兹波段光学参数提取及分析52-56
• 3.5.2 PVC泡沫芯材的太赫兹波段光学参数提取及分析56-59
• 3.6 散射模拟59-67
• 3.6.1 散射分析59
• 3.6.2 Mie散射基础理论概述59-62
• 3.6.3 PMI泡沫样本内部微结构直径散射分析62-65
• 3.6.4 数值模拟65-67
• 3.7 本章小结67-68
• 第4章 航空泡沫-铝结构的无损检测实验研究68-90
• 4.1 缺陷预置68-71
• 4.1.1 缺陷及损伤分类69
• 4.1.2 泡沫-铝复合结构人工缺陷预置69-71
• 4.2 泡沫-铝结构的缺陷特征谱分析71-80
• 4.2.1 脱粘缺陷特征谱分析71-76
• 4.2.2 夹杂缺陷特征谱分析76-77
• 4.2.3 空洞缺陷特征谱分析77-79
• 4.2.4 裂纹缺陷特征谱分析79-80
• 4.3 反射成像结果及讨论80-87
• 4.3.1 脱粘缺陷反射成像结果及讨论80-81
• 4.3.2 夹杂缺陷反射成像结果及讨论81-83
• 4.3.3 空洞缺陷反射成像结果及讨论83-85
• 4.3.4 内部及表面空洞的反射成像比较85
• 4.3.5 裂纹缺陷反射成像及讨论85-87
• 4.4 本章小结87-90
• 第5章 航空泡沫夹层结构的无损检测实验研究90-124
• 5.1 PMI泡沫芯材与蜂窝夹层结构性能比较90-92
• 5.2 缺陷预置92-96
• 5.2.1 夹层结构材料选择92-93
• 5.2.2 夹层结构设计93-94
• 5.2.3 玻璃纤维夹层结构人工缺陷预置94-96
• 5.3 PMI泡沫夹层结构缺陷的太赫兹无损检测实验研究96-118
• 5.3.1 PMI泡沫夹层结构的脱粘缺陷检测97-105
• 5.3.2 PMI泡沫夹层结构的夹杂缺陷检测105-108
• 5.3.3 PMI泡沫夹层结构的空洞缺陷检测108-113
• 5.3.4 PMI泡沫夹层结构的裂纹缺陷检测113-118
• 5.4 与其他无损检测方法的检测结果比较118-121
• 5.5 本章小结121-124
• 第6章 超分辨率算法设计124-158
• 6.1 引言124
• 6.2 本文实验系统成像分辨率分析124-128
• 6.3 超分辨率图像重建及THz-NDT中的应用128-133
• 6.3.1 超分辨率图像重建综述128-129
• 6.3.2 图像超分辨重建的理论基础129-130
• 6.3.3 常用超分辨算法比较及在THz-NDT中的应用130-133
• 6.4 超分辨率算法设计133-142
• 6.4.1 太赫兹时域脉冲扫描成像特征分析133-134
• 6.4.2 WDHMM图像超分辨率重建算法设计134-140
• 6.4.3 WDHMM超分辨率重建算法在THz-NDT中的应用140-142
• 6.5 量化检测及误差分析142-156
• 6.5.1 图像预处理142-148
• 6.5.2 缺陷定量检测与数据分析148-150
• 6.5.3 数据分析150-156
• 6.6 本章小结156-158
• 第7章 总结与展望158-162
• 7.1 主要完成工作158-160
• 7.2 本文创新点160-161
• 7.3 技术展望161-162
• 参考文献162-175
• 作者简介及攻读博士期间科研成果175-177
• 致谢177

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;四轴夹层结构的冰冷保温车[J];铁道车辆;1975年10期

2 ;车辆制造中的大部件拼装法和夹层结构[J];国外机车车辆工艺;1976年02期

3 范炳鹤;轴对称夹层结构热应力研究[J];南京航空航天大学学报;1978年03期

4 М.Г.Берештейн;邓爱莲;;夹层结构的机保车[J];国外铁道车辆;1983年02期

5 周祝林;夹层结构导弹包装箱设计计算[J];纤维复合材料;2003年01期

6 关世伟;;曲面夹层结构成形压力和反弹分析[J];北京航空航天大学学报;2009年02期

7 郑晓霞;郑锡涛;屈天骄;张建锋;;缝纫泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析[J];西北工业大学学报;2010年05期

8 刘华峰;赵凯辉;王佩艳;岳珠峰;;缝合复合材料泡沫夹层结构侧压剪切力学性能试验研究[J];郑州大学学报(工学版);2011年04期

9 李响;游敏;陈方玉;;单约束复合材料夹层结构轻量化设计及应用[J];黄石理工学院学报;2012年01期

10 邹建胜;曾建江;童明波;蔡婧;;不同夹芯复合材料夹层结构的剪切破坏行为[J];机械工程材料;2012年09期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙万;曹增强;;复合材料斜面夹层结构特种连接技术研究[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（上册）[C];2008年

2 李光亮;郑锡涛;郑晓霞;杜兴刚;;复合材料泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

3 杨仲;张博明;孙新杨;;内压载荷下夹层复合材料圆筒开口分析[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（下册）[C];2008年

4 张华;姜健;杨明;陈梦怡;嵇培军;崔溢;;拼接对夹层结构性能的影响研究[A];复合材料——基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集（下）[C];2006年

5 周祝林;吴伯明;曹桂芬;;夹层结构弯曲试验方法试验验证研究报告[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

6 周祝林;吴伯明;曹桂芬;;新型3D夹层结构复合材料污水池盖罩强度刚度设计计算[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

7 唐妹红;居建国;;PMI高性能泡沫夹层材料在航天产品中的应用研究[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（上册）[C];2008年

8 卫明山;丁巧爱;曹海;;支撑式薄板夹层结构支撑间距试验研究[A];第七届全国工程结构安全防护学术会议论文集[C];2009年

9 陶恒;;玻璃钢夹层结构对电磁波吸收性能的计算[A];第十一届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];1995年

10 周祝林;吴群益;陈国权;王方圆;朱永峨;;舰船用玻璃钢夹层结构设计基础[A];第十二届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];1997年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 邢砾云;航空泡沫芯材及夹层结构的太赫兹无损检测研究[D];吉林大学;2016年

2 王杰;复合材料泡沫夹层结构低速冲击与冲击后压缩性能研究[D];上海交通大学;2013年

3 党旭丹;X-cor夹层结构制备与力学性能研究[D];南京航空航天大学;2009年

4 张锐;格栅夹层结构热变形的微结构力学分析和数值计算[D];北京科技大学;2015年

5 薛雁;压电—压磁夹层结构的圣维南端部效应研究[D];北京交通大学;2014年

6 王海英;夹层结构振动声辐射特性研究[D];大连理工大学;2009年

7 闫法强;夹层结构天线罩材料的设计、制备及其宽频透波性能[D];武汉理工大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赖基平;新型复合材料集装箱地板的分层特性研究[D];华南理工大学;2015年

2 刘宝;埋入式桩板路基粗颗粒夹层结构应力波传播特性研究[D];西南交通大学;2014年

3 贺礼财;蜂窝铝芯面外等效弹性常数预测及屈曲性能分析[D];湘潭大学;2015年

4 汤洋;蜂窝夹层结构失效模式及疲劳性能的试验研究[D];中国海洋大学;2015年

5 丁冰;Ti/CFRP/Ti夹层结构高速冲击损伤研究[D];南京航空航天大学;2015年

6 刘太渠;椰子中果皮复合夹层结构的抗撞性研究[D];湖南大学;2016年

7 沈裕峰;K-cor夹层结构湿热环境力学性能及其影响研究[D];南京航空航天大学;2016年

8 谭年富;复合材料泡沫夹层结构低速冲击后的面内力学性能研究[D];上海交通大学;2012年

9 高贵阳;三维间隔连体织物夹层结构复合材料的制备与性能研究[D];武汉理工大学;2014年

10 杜希岩;玻璃纤维轴向经编织物增强夹层结构复合材料的制备与性能研究[D];东华大学;2007年

，

本文编号：976467