专利名称：厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理与检测方法
技术领域：
本发明涉及一种厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理与检测方法。
背景技术：
复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、耐疲劳、可设计性等优点，有利于航空飞行的减重，因而获得越来越广泛的应用。树脂基层合板在物理性能上的各向异性、声衰减严重等特点使其在无损检测方面与传统金属材料存在区别，如何进行复合材料内部的质量控制成为无损检测领域的关键技术之一。有限单元法是计算力学中的一种重要的方法，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。作为一种具有理论基础和广泛应用效力的数值分析方法，有限元法可用于解决声学领域无法应用解析方法求解的问题。另外，对于结构形状不规则的复杂问题，有限元方法也能有效解决。动力学有限元模型可对树脂基层合板中超声导波的传播过程进行研究，实现了对接收信号的有效预测，从而实现树脂基层合板内缺陷的模型化测量。 相对于传统的超声体波检测技术，超声导波具有衰减小、传播速度快、对材料表面和内部都敏感以及可进行逐线扫描的特点，在大型构件和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。国内外学者对单层各向同性材料和单层各向异性材料中的导波传播规律及其缺陷的导波检测已经开展了大量研究，而对层合板中的导波研究并不多，这是由于复合板的分层结构和各单层的各向异性特点使得导波的传播情况变得十分复杂，而且特征方程的数值解不易收敛，对求解造成了很大困难。多层复合材料中导波传播特性的建模和分析是超声导波研究领域的难点。研究层合板中的导波传播特性最主要的方法为传递矩阵法和全局矩阵法，传递矩阵法因其简便成为层合板建模中最流行的方法，但是存在大频厚积时数值不稳定的问题，限制了传递矩阵法的应用范围；而全局矩阵法可以不受此类限制，从而更好的求解层合板中导波的传播特性。层合板的动力学有限元模型，可以模拟导波在含缺陷复合板中的传播过程，预测层合板各点处的导波信号，从而可作为实际检测的基准参考信号量化检测缺陷的大小和位置。
发明内容
本发明的目的是提出厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波检测方法。本发明的检测原理是通过动力学有限元模型对层合板各点处的导波信号进行预测，评估缺陷信息。最终提出根据模型预测结果采用导波优化激励技术抑制导波频散效应和模式转换效应的检测方法。采用IMHz低频段窄带调制正弦信号，在试件激励区域施加对称模式和反对称模式导波激励条件。超声导波动力学有限元模型可以预测层合板内任意点处的超声导波信号，从接收信号中可以提取出缺陷反射回波信号，从而可以分析得到厚度突变的树脂基层合板内缺陷的尺寸和位置信息。利用复Gaussian小波变换提取缺陷反射信号的传播时间和包络信息。其特征在于根据超声导波动力学有限元模型的预测接收换能器的接收信号，根据缺陷反射回波信号的到达时间和包络峰值结合树脂基层合板内超声导波的传播速度特性，反推出缺陷的位置和尺寸。根据树脂基层合板导波理论频散曲线调整斜探头角度，使激励出的导波频厚积小于2. 5MHz-mm。本发明的优点在于，过模型研究厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理及其中传播的超声导波与缺陷的作用机理，提出了基于动力学有限元模型的厚度突变的树脂基层合板内缺陷超声导波检测方法。为准确预测缺陷信号，所建立的有限元模型中加入了复合板的衰减模型，并同时采用优化导波激励技术抑制导波频散效应和模式转换效应，提高了检测方法的精度。采用分层Rayleigth阻尼模型对厚度突变的树脂基层合板对超声导波衰减特性建模。
四
图1含缺陷树脂基层合板2维有限元模型示意2树脂基层合板中超声导波相速度频散特性3树脂基层合板中单模式导波激励4超声导波信号接收实验示意图
五具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
进行详细说明如图1所示，左边界为激发导波的激励区域1。在距离激励区域dl处设置检测点 2，接收直接传播4和经边界反射5的导波信号，首先在求解时域0 < t < T内任何时刻都应满足运动方程的要求，代之以仅在相隔Δ t的离散时间点上满足运动方程；然后采用差分格式建立由t时刻运动状态成、么、at 计算t+ Δ t时刻运动状态钱+Δ 、的公式。超声导波动力学有限元时变差分格式为
权利要求
1.一种厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理与检测方法，其特征在于将动力学方法和有限元方法结合用于厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播建模，通过动力学有限元模型对层合板各点处的导波信号进行预测，评估缺陷信息。最终提出根据模型预测结果采用导波优化激励技术抑制导波频散效应和模式转换效应的检测方法。
2.根据权利要求1所述的动力学有限元模型，其特征在于将动力学方法和有限元方法结合用于厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播建模。
3.根据权利要求1所述的导波优化激励技术，其特征在于采用IMHz低频段窄带调制正弦信号，在试件激励区域施加对称模式和反对称模式导波激励条件。
4.根据权利要求1所述的厚度突变的树脂基层合板阻尼模型，其特征在于采用分层 Rayleigth阻尼模型对厚度突变的树脂基层合板对超声导波衰减特性建模。
5.根据权利要求1所述的厚度突变的树脂基层合板中超声导波传播机理，其特征在于利用复Gaussian小波变换提取缺陷反射信号的传播时间和包络信息。
6.根据权利要求1所述的厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波检测方法，其特征在于根据超声导波动力学有限元模型的预测接收换能器的接收信号，根据缺陷反射回波信号的到达时间和包络峰值结合树脂基层合板内超声导波的传播速度特性，反推出缺陷的位置和尺寸。
7.根据权利要求1所述的抑制模式转换效应，其特征在于根据树脂基层合板导波理论频散曲线调整斜探头角度，使激励出的导波频厚积小于2. 5MHz-mm。
全文摘要
本发明涉及一种厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理与检测方法。本发明采用有限元方法建立了厚度突变的树脂基层合板的动力学有限元模型，通过模型研究厚度突变的树脂基层合板内缺陷的超声导波传播机理及其中传播的超声导波与缺陷的作用机理，提出了基于动力学有限元模型的厚度突变的树脂基层合板内缺陷超声导波检测方法。超声导波动力学有限元模型可以预测层合板内任意点处的超声导波信号，从接收信号中可以提取出缺陷反射回波信号，从而可以分析得到厚度突变的树脂基层合板内缺陷的尺寸和位置信息。为准确预测缺陷信号，所建立的有限元模型中加入了复合板的衰减模型，并同时采用优化导波激励技术抑制导波频散效应和模式转换效应，提高了检测方法的精度。
文档编号G01N29/44GK102288683SQ20111011360
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者周世圆, 孟凡武, 张运涛, 徐春广, 潘勤学, 肖定国, 许寒晖, 赵新玉, 郝娟 申请人:北京理工大学