[發明專利]一種用于復合材料的動態均質化超聲全聚焦缺陷成像方法及系統

在審

• 申請號: 202110423348.1
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113109447A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 肖海;劉夢龍;李倫;李壯;張耀輝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/07;G01N29/44;G06F17/16
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 于標

本發明提供一種用于復合材料的動態均質化超聲全聚焦缺陷成像方法及系統，該方法包括：步驟1：基于遞歸剛度矩陣法對聲波在復合材料層合板周期性鋪層中的傳播過程進行解析建模；步驟2：通過弗洛凱波理論對復合材料層合板的周期性鋪層單元進行動態均質化建模，得出不同鋪層方向的復合材料層合板對應的可均質化范圍；步驟3：根據均質各向異性材料中波矢的頻散效應求出準縱波的能量傳播速度；步驟4：利用非均質各向異性復合材料在可動態均質化范圍內的能量傳播速度進行波達時間修正，從而對各種鋪層方向的復合材料層合板進行超聲全聚焦缺陷成像檢測。本發明通過解決復合材料鋪層結構和激勵信號中心頻率引起的不同傳播方向的聲速差異導致的時間補償問題，實現非均質各向異性復合材料的可視化成像。

技術領域

本發明涉及無損檢測領域，尤其涉及一種用于復合材料的動態均質化超聲全聚焦缺陷成像方法及系統。

背景技術

復合材料具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好、疲勞耐久性優異、可設計性強以及可大規模整體成型等優點，已廣泛應用于航空航天、汽車、海洋和生物醫學等領域。由于越來越多的被應用于主承載結構中，復合材料的厚度也在不斷增大，導致其在制造和服役期間產生基體開裂、纖維斷裂、界面脫粘和分層等缺陷的概率增大。針對材料內部缺陷的無損檢測方法包括X射線、電子計算機斷層掃描(CT)、電渦流、熱成像、超聲等，其中超聲檢測由于具有成本低、安全無輻射、檢測方便等特點得到了廣泛的應用。超聲無損檢測通過在材料內部產生超聲脈沖，分析聲波反射或透射信號得到缺陷信息，也可通過線陣或面陣探頭采集全矩陣數據，結合全聚焦算法對缺陷進行可視化成像。

現有的全聚焦成像算法能夠很好的對各向同性材料進行缺陷檢測，而對于非均質各向異性的復合材料，運用全聚焦算法進行缺陷成像需要修正聲波沿不同方向傳播的波速差異引起的波達時間差異。

發明內容

本發明提供了一種用于復合材料的動態均質化超聲全聚焦缺陷成像方法，包括依次執行以下步驟：

步驟1：基于遞歸剛度矩陣法對聲波在復合材料層合板周期性鋪層中的傳播過程進行解析建模；

步驟2：通過弗洛凱波理論對復合材料層合板的周期性鋪層單元進行動態均質化建模，得出不同鋪層方向的復合材料層合板對應的可均質化范圍；

步驟3：根據均質各向異性材料中波矢的頻散效應求出準縱波的能量傳播速度；

步驟4：利用非均質各向異性復合材料在可動態均質化范圍內的能量傳播速度進行波達時間修正，從而對各種鋪層方向的復合材料層合板進行超聲全聚焦缺陷成像檢測。

作為本發明的進一步改進，在所述步驟1中，對于任意鋪層的復合材料層合板結構，根據材料參數以及鋪層信息得到最小周期單元的全局剛度矩陣，具體如下：

如圖1所示，將復合材料層合板第j層單元的位移矢量u_j和牽引矢量σ_j表示為層內六個分波的合成：

其中，a表示幅值，n＝1,2,3表示分波，±表示沿厚度方向z軸的正負方向，表示極化矢量，表示波數，ω表示頻率；定義矢量d^±n與波數和極化矢量有關：其分量其中c_ijlm(i,j,l,m＝1,2,3)是剛度系數的張量表示；

第j層上下表面的位移-牽引力關系式為：

其中P^±(3×3)＝[p^±1,p^±2,p^±3]，D^±(3×3)＝[d^±1,d^±2,d^±3]，h_j是單層厚度；第j層剛度矩陣K^j為：