一种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法与流程

本发明是一种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法，属于无损检测技术领域，用于渐变厚度复合材料结构的超声检测。

背景技术：

复合材料已在航空、建筑、交通等许多工程领域得到非常广泛的应用，在工程上，通常需要根据应用对象和结构受力等，通过复合材料铺层的设计，将复合材料结构设计在厚度方向渐变的各种工程零件及其产品，形成渐变厚复合材料结构，使不同厚度部位既有足够的承载能力，又可以减少复合材料的用量，减轻复合材料结构的重量，降低复合材料零部件的成本。目前工程上采用的大部分复合材料结构都具有渐变厚度的几何特征，简称渐变厚复合材料结构，为了保证这类渐变厚复合材料结构的质量和安全服役，通常需要对其进行全覆盖无损检测。超声是这类变厚复合材料结构的一种主要无损检测方法，目前采用的渐变厚度复合材料结构超声检测方法中，主要是根据来自被检测复合材料表面和底面之间的超声信号及其变化，进行缺陷判别。

在渐变厚度复合材料结构的超声检测过程中，不同的复合材料结构部位，其厚度方向的尺寸，即厚度会出现渐变过程，由此，会在被检测复合材料结构表面和底面之间形成几何不平行的超声传播界面，这里简称渐变厚度界面，此渐变厚度界面会明显影响入射声波在复合材料结构中的传播行为，影响超声检测信号的接收和指示，引起超声信号的额外损失，影响缺陷的判别，容易造成漏检，从而影响检测结果的正确性和检测可靠性，而且被检测复合材料结构渐厚度渐变越大，由此带来的影响越严重。一种改进方法，就是参考被检测渐变厚度复合材料结构的厚度变化，适当地对来自渐变厚度复合材料的检测信号进行一个给定的幅值补偿，但由于渐变厚度复合材料结构及其内部复杂性、厚度变化带来的几何特征变化的多样性和难以预知性等，入射声波在渐变厚复合材料结构不同位置点，厚度渐变化会不同，由此可能会产生不同程度的影响，不同渐变厚度区，渐变厚度的变化对超声信号造成的影响程度也不一样，此外，单一和简单的幅值补偿方法难以考虑渐变厚度复合材料结构在厚度方向的几何特征变化带来的影响。若将渐变厚度复合材料结构抽象为一个超声大数据，每个检测位置点对应一个超声数据点，将这种超声数据印射到不同渐变厚度区复合材料结构表面，则每个检测位置点厚度的变化，必然与该位置点厚度渐变有关，通过对来自渐变厚度区各个给定位置的超声数据进行测量记录，以合理的方法构建超声数据矩阵，从中分离出反映超声波在渐变厚度区传播的超声信号，如表面反射、底面反射或者穿透信号，得到相应的超声特征信号参量矩阵，然后，基于超声检测和缺陷判据的声学原理，构建厚度渐变区的超声检测参数矩阵，通过主动均值，得到反映复合材料结构厚度变化的超声特征参量，从这些超声特征参量中求出反映厚度渐变的超声函数，再根据被检测渐变厚度复合材料结构，利用有限的渐变厚度复合材料试块，得到更具有代表性的超声渐变厚度系数，用于渐变厚度复合材料结构的超声检测信号的补偿，进行渐变厚度复合材料的超声检测。由于这里超声渐变厚度系数反映的是整个复合材料结构中厚度几何变化引起的超声信号的变化，同时又充分考虑了不同厚度区可能存在的各种情况。因此，更能具有代表性和准确性，从而更能反映出来自渐变厚度区复合材料结构几何和物理特征引起的超声信号变化，进而更有利于渐变厚度复合材料结构的超声检测和缺陷检出，减少缺陷漏检率，提高渐变厚度复合材料结构的超声检测结果的准确性和可靠性。

现有技术不足：

目前采用的复合材料结构超声检测方法中，主要是根据来自被检测复合材料表面和底面之间的超声回波信号或者投射大小以及底波大小，进行缺陷判别，其主要不足：(1)由于复合材料厚度的渐变工艺及厚度渐变区的在厚度方向几何结构的变化，会在改变入射声波在被检测复合材料表面和底面反射或透射，从而造成超声接收信号的损失，从而影响缺陷的判别，容易产生漏检，干扰检测结果的正确性，影响检测结果的可靠性；(2)当采用某个厚度补偿时，由于渐变厚度复合材料结构及其内部复杂性、厚度变化带来的几何特征变化的多样性和难以预知性等，入射声波在变厚复合材料结构不同位置点，厚度变化会不同，由此可能会产生不同程度的影响，不同渐变厚度区，厚度变化对超声信号造成的影响程度也不一样，采用单一和简单的幅值补偿方法难以考虑渐变厚度复合材料结构在厚度方向的几何特征变化带来的影响。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法，其目的是针对渐变厚度复合材料的形状、结构、工艺特点以及由此带来超声检测信号的变化对不同渐变厚度区缺陷的判别影响，提出了一种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数，用于补偿渐变厚度复合材料结构超声检测信号，防止漏检，提高缺陷检出率和超声检测的准确性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法，其特征在于：该渐变厚度系数的确定方法的步骤如下：

步骤一、制备不同厚度的试块1，其厚度为hi，i＝1，2，...，m；试块1的最小厚度hmin和最大厚度hmax分别与待检测零件的最小及最大厚度相同，按照相同的测量轨迹和测量参数对每一个试块1进行超声信号测量，超声测量信号用uij表示，j为超声测量信号的数量，j＝1，2，...，n；然后计算对每一个试块1的超声测量信号uij的算术平均值，用表示，并绘制厚度hi与的关系曲线；

步骤二、制备一个或多个形成连续渐变厚度的渐变厚度试块2，渐变厚度试块2形成的连续渐变厚度中，最小厚度hmin和最大厚度hmax分别与待检测零件的最小及最大厚度相同，按照与步骤一相同的测量轨迹和测量参数对每一个渐变厚度试块2进行超声信号测量，超声测量信号共有k×[va，ha]b组，其中，va表示第a个测量点的超声信号，ha表示对应第a个测量点的渐变厚度试块2的厚度，a＝1，2，...，b，b为渐变厚度试块2的测量点的总数，k为常数，k取值范围为1-10；

然后按照取相同厚度的原则，确定k×[va，ha]b中的数据按不同厚度值hc所对应的均值其中，hmin≤c≤hmax；

步骤三、针对不同厚度值hc，根据绘制的厚度hi与关系曲线，计算与的差值，得到不同渐变厚度所对应的超声渐变厚度系数δc，并绘制厚度与超声渐变厚度系数δc的关系曲线。

在一种实施中，试块1的材料与待检测零件的复合材料相同。

在一种实施中，试块1的数量不少于5个。

在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数与待检测零件的检测要求相同。

在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数包括测量轨迹路径和测量点标定。

在一种实施中，渐变厚度试块2的材料与待检测零件的复合材料相同。

在一种实施中，不同厚度的试块1之间的厚度梯度为2mm。

在一种实施中，所述超声测量轨迹和测量参数中，测量轨迹为扫描方式，扫描速度为100mm/s，测量参数为相邻测量点的间距为2mm。

本发明基于超声波传播的特点和渐变厚度复合材料结构的几何特征，根据超声检测与缺陷识别原理，提出了一种用于复合材料结构超声检测的渐变厚度系数确定方法，渐变厚度系数的确定，考虑了由于复合材料结构厚度变化在被检测渐变厚度复合材料结构表面和底面之间产生的超声信号变化对缺陷判别的干扰；考虑了由于复合材料不同厚度区造成的对入射声波在多种几何反射行为的变化，对渐变厚度复合材料结构超声检测时的缺陷判别的影响；考虑了复合材料结构渐变厚度对入射声波在复合材料中的传播行为的改变，对渐变厚度区的缺陷判别的影响。基于渐变厚度系数，进行缺陷判别，更加适合渐变厚度复合材料结构的超声检测与质量的评定，从而更有利于提高渐变厚度复合材料结构超声检测的准确性，提高渐变厚度复合材料结构的检测结果的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明技术方案中试块1的形状示意图

图2为本发明技术方案中渐变厚度试块2的形状示意图

图3为本发明技术方案中另一种渐变厚度试块2的形状示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

本发明所述的用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法的步骤如下：

步骤一、制备不同厚度的试块1，其厚度为hi，i＝1，2，...，m；试块1的最小厚度hmin和最大厚度hmax分别与待检测零件的最小及最大厚度相同，参见图1所示，本实施例中，具有渐变特征的碳钎维复合材料壁板的大小为1500×2500mm，其最小厚度为2mm，最大厚度为8mm，选择m＝5，hi＝2，4，5，6，8，对5组复合材料试块，按照相同的测量轨迹和测量参数对每一个试块1进行超声信号测量，本实施例中，采用超声反射检测模式，扫描速度为100mm/s，数据采集密度为2×2mm，超声测量信号用uij表示，j为超声测量信号的数量，j＝1，2，...，n，本实施例中，取i＝1，2，3，5，j＝1，2，...，100，然后计算对每一个试块1的超声测量信号uij的算术平均值，用表示，并绘制厚度hi与的关系曲线；

步骤二、制备一个或多个形成连续渐变厚度的渐变厚度试块2，渐变厚度试块2形成的连续渐变厚度中，最小厚度hmin和最大厚度hmax分别与待检测零件的最小及最大厚度相同，在本是实施例中，取k＝3组渐变厚度复合材料试块，构成与被检测复合材料壁板渐变厚度范围6mm一致的渐变厚度差，即，其渐变厚度差δh＝2mm，第1组渐变厚度试块的hmin＝2mm，hmax＝4mm，第2组渐变厚度试块的hmin＝4mm，hmax＝6mm，第3组渐变厚度试块的hmin＝6mm，hmax＝8mm，按照与步骤一相同的测量轨迹和测量参数对每一个渐变厚度试块2进行超声信号测量，共有k×[va，ha]b组，其中，va表示第a个测量点的超声信号，ha表示对应第a个测量点的渐变厚度试块2的厚度，参见图2和图3所示，a＝1，2，...，b，b为渐变厚度试块2的测量点的总数，k为常数，k取值范围为1-10，然后按照取相同厚度的原则，确定k×[va，ha]b中的数据按不同厚度值hc所对应的均值其中，hmin≤c≤hmax，在本实施例中，取k＝3，对3组渐变厚度复合材料试块进行了超声信号测量和对应超声信号位置的复合材料试块厚度测量，得到3×[va，ha]100组超声信号和对应厚度，取a＝1，2，...，100，对3×[va，ha]100进行计算得到渐变厚度复合材料试块的各个厚度hc所对应的均值这里，c＝1，2，...，64；

步骤三、针对不同厚度值hc，根据绘制的厚度hi与关系曲线，计算与的差值，得到不同渐变厚度所对应的超声渐变厚度系数δc，并绘制厚度与超声渐变厚度系数δc的关系曲线，将厚度与超声渐变厚度系数δc的关系曲线导入cuj-6000超声检测系统，完成了3件具有渐变厚度特征的碳纤维复合材料壁板的超声检测与评定，可以有效地检出距离复合材料壁板表面1个铺层渐变厚度级差间的分层缺陷，而采用常规没有导入超声渐变厚度系数的超声方法检测，难以清晰地检出该分层缺陷，而且，导入超声渐变厚度系数后，超声检测结果更加清晰，更有利于进行检测结果的评定和缺陷判别。