一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法

文档序号:9287458阅读:723来源:国知局
一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测技术领域,涉及一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方 法。
【背景技术】
[0002] 复合材料泡沫结构作为一种超轻结构,已在航空航天、交通等工业领域应用广泛, 通过选用不同复合材料与泡沫材料、设计不同形状和厚度的泡沫胶接工艺,可以制造出形 式多样化地复合材料泡沫结构。为了改进复合材料泡沫结构工艺、保证复合材料泡沫结构 的质量,通常都需要对复合材料泡沫结构进行无损检测。目前需要进行无损检测的泡沫结 构可分为两大类,如图2所示:一类是泡沫直接与复合材料蒙皮胶接,构成各种不同的复合 材料泡沫结构,如图2(a)和图2(b)所示;另一类是多层泡沫胶接后,再与复合材料蒙皮胶 接,构成各种不同的大厚度、变厚复合材料泡沫结构,如图2(c)和图2(d)所示。通常这类 复合材料泡沫结构都具有大尺寸的特点。理论上,目前可行的无损检测方法有:(1)软X-射 线检测方法,其主要不足是:1)对于垂直X-射线束取向的泡沫胶接界面的缺陷难以检出; 2)检测效率低、成本高、需要专门的辐射防护;(2)常规超声检测方法,其主要不足是:因声 波在泡沫结构中衰减十分剧烈,导致入射声波难以在泡沫中有效传播,从而难以实现泡沫 及泡沫/泡沫胶接缺陷的检测;(3)空气耦合超声检测方法,其主要不足是:1)多采用音频 脉冲激励超声波,其空间分辨率低,难以满足复合材料泡沫结构中的蒙皮、蒙皮/泡沫胶接 区的缺陷检测要求;2)入射声波在泡沫区的传播行为与在空气中的传播行为非常接近,从 而会导致缺陷判别困难。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的是针对复合材料泡沫结构,提出一种基于高能量冲击脉冲激励的复 合材料泡沫结构超声检测方法,实现复合材料泡沫结构中蒙皮、蒙皮/泡沫胶接区、泡沫 区、泡沫/泡沫胶接区等不同部位的超声检测,提高超声对复合材料泡沫结构中蒙皮、蒙皮 /泡沫胶接、泡沫/泡沫胶接及泡沫区缺陷的检出能力和检测的可靠性,改进复合材料泡沫 结构的可检性。本发明的技术解决方案是,
[0004] 利用超声穿透法检测系统进行复合材料泡沫结构超声检测,超声穿透法检测系统 主要包括发射换能器、接收换能器、超声单元、信号处理单元、扫查单元和显示单元,其特征 是,
[0005] 利用发射换能器产生大能量冲击脉冲作为入射超声波up,从复合材料泡沫结构的 一侧入射,形成探测声波,利用接收换能器从复合材料泡沫结构的另一侧接收Up在复合材 料泡沫结构中形成的透射超声波ut,
[0006] 1)当复合材料泡沫结构为整体泡沫结构时,透射超声波ut近似表示为,
[0007]
(:1>
[0008]这里,
[0009] P。一发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构右蒙皮和左蒙皮表面之间的 声学耦合介质的密度,
[0010] P为复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮的密度,
[0011] P2-为复合材料泡沫结构中的泡沫的密度,
[0012] c。一为发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮表面之 间的声学耦合介质中的声速,
[0013] Cl-为复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮中的声速,
[0014] 〇2-为复合材料泡沫结构中的泡沫中的声速,
[0015]当在复合材料泡沫结构中存在缺陷,此时接收换能器接收到的透射超声波^近似 表示为,
[0016].(2.)'
[0017]这里,
[0018] Su-为发射换能器和接收换能器在复合材料泡沫结构中形成的两个声束面积,
[0019] Sd-为复合材料泡沫结构中缺陷在垂直声波传播方向的投影面积,
[0020] 进行缺陷判别:
[0021 ] 根据接收换能器接收到来自复合材料泡沫结构中的透射超声波ut和透射超声波 利用式判别复合材料泡沫结构中有无缺陷,
[0022] ur=ut,无缺陷,
[0023]ur〈ut,当Su>Sd,有缺陷,
[0024]u,0,当S u〈Sd,有缺陷,且缺陷面积较大。
[0025] 2)当复合材料泡沫结构中的泡沫层由右泡沫和左泡沫两层泡沫胶接而成时,透射 超声波u't近似表示为,
[0026]
(3.)
[0027]这里,
[0028]P3-为粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的胶接层的材料密度,
[0029]c3-为粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的胶接层材料中的声速,
[0030]当在复合材料泡沫结构中存在缺陷,此时接收换能器接收到的透射超声波u'^近 似表示I
[0031] .⑷.
[0032] 进行缺陷判别:
[0033] 根据接收换能器接收到来自复合材料泡沫结构中的透射超声波ut'和透射超声 波u\,利用式(4)判别复合材料泡沫结构中有无缺陷,
[0034]u'r=u't,无缺陷,
[0035]u' r〈Vt,当Su>Sd,有缺陷,
[0036] 0,当S u〈Sd,有缺陷,且缺陷面积较大,
[0037] 3)不同复合材料泡沫结构的检测,
[0038]对于不同复合材料泡沫结构的检测,由于Pi、P2、Cl、c2不同,同样利用式(1)至 式(4),进行缺陷的判别。
[0039] 4)检测结果显示,
[0040] 根据接收换能器接收到透射超声波^和u\,将其转换为视频信号、射频信号或成 像信号,显示检测结果。
[0041] 根据被检测复合材料泡沫结构、工艺的特点和检测要求不同,选择相应频率的入 射脉冲超声波,用于检测复合材料泡沫结构中,
[0042] ①蒙皮/泡沫胶接缺陷,
[0043] ②泡沫/泡沫胶接缺陷,
[0044] ③泡沫中的缺陷,
[0045] ④蒙皮中的缺陷,
[0046] 对于复合材料泡沫结构中不同部位的缺陷检测,频率在0. 5MHz - 5MHz范围内选 择。
[0047]当需要确定检出缺陷在复合材料泡沫结构中的部位时,发射换能器工作在反射模 式,根据其接收到的回波信号^的时域特性辅助判断检出缺陷在复合材料泡沫结构中的蒙 皮区、蒙皮/泡沫胶接界面、泡沫区的部位。
[0048] 发射换能器和接收换能器的声束面积Su,通过选择不同直径和类型的发射换能器 和接收换能器,在被检测复合材料泡沫结构产生不同大小的声束面积Su,实现对不同复合 材料泡沫结构的超声透射检测,通常根据复合材料泡沫结构的厚度、材料选择Su的大小和 类型,
[0049] 对于泡沫区及泡沫/泡沫胶接区的检测,在10 - 30mm的直径范围内选择Su,平面 声束,
[0050] 对于蒙皮及蒙皮/泡沫胶接区的检测,在1一6mm的直径范围内选择Su,平面声束 或者锥形声束,
[0051] 发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构表面之间采用不同粘度的耦合剂 进行喷液耦合、液膜接触耦合,用于不同扫查方式下发射换能器和接收换能器的声学耦合, 以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件与扫查条件下的超声检测。
[0052] 本发明具有的优点和有益效果,
[0053] 1.针对复合材
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