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復合材料構件的超聲無損檢測關鍵技術研究

字體大�。� - - gqgmzhang   發(fā)表于 16-02-22 17:31     閱讀(31)       分類：

 【摘要】：復合材料因其優(yōu)越的性能在航空航天、軍事、汽車等領域被越來越廣泛的使用，由于復合材料構件在生產制造和使用過程中都會產生各種類型的缺陷，大大降低構件的安全性能，因此必須采取有效的手段對其進行無損檢測。 本文主要研究纖維增強樹脂基復合材料構件超聲無損檢測中的一些關鍵技術，首先對各向異性復合材料內的超聲波傳播規(guī)律進行了研究，通過建立有效的模型對多層介質中的聲場進行了計算仿真，進一步通過具體的實驗測量驗證了模型的正確性；其次，研究了復合材料超聲檢測信號的時頻分析方法及復合材料空氣耦合超聲檢測技術，并提出了一種高壓氣體耦合檢測復合材料構件的方法；研究了變厚度復合材料構件檢測時的靈敏度補償原理并進行了實驗驗證；最后，研究了復雜曲面復合材料構件檢測時的透射聲場及換能器掃查軌跡對曲面形廓跟蹤的原理及方法，在此基礎上進行了硬件和軟件系統(tǒng)的設計，研制了一套功能較完善、具有較高性能的雙機械手復合材料超聲自動檢測系統(tǒng)并開展了應用實驗研究。 第一章闡述了論文研究的目的和意義，對復合材料超聲無損檢測技術、超聲檢測模擬、超聲檢測信號時頻分析、空氣耦合超聲檢測技術及復雜形廓構件的超聲檢測技術國內外研究現狀進行了綜述和分析，并概述了本文的主要研究內容。 第二章對各向異性復合材料內的聲傳播規(guī)律進行了研究，在闡述有關各向異性介質中聲傳播知識的基礎上，應用多高斯聲束模型研究了超聲波在復合材料內的聲場分布特征，Matlab編程給出了水—復合材料—水界面的聲場軸向剖面、徑向剖面分布仿真結果。在透射聲場仿真結果的基礎上，開展了不同材質（碳纖維和玻璃纖維復合材料）、不同厚度試件的透射聲場實驗研究，通過實驗結果與仿真結果的對比分析，給出了實際檢測時接收換能器放置的最優(yōu)位置。 第三章研究了超聲檢測信號的時頻分析方法，包括短時傅立葉變換、小波變換及Wigner-Ville分布，給出了利用不同方法對信號的分析結果。重點對Hilbert-Huang變換的分析方法進行了研究，包括本征模態(tài)函數、經驗模態(tài)分解及Hilbert譜分析，在此基礎上對超聲檢測復合材料時的缺陷回波信號應用HHT進行了處理分析，獲得了缺陷回波信號的經驗模態(tài)分解結果，直觀地揭示了原始信號的本質。 第四章對空氣耦合超聲檢測技術在復合材料方面的應用進行了研究，通過對空氣耦合換能器聲場特性的分析，給出了空氣耦合超聲換能器的聲場仿真和實驗結果；提出了通過增大檢測環(huán)境的壓強(增加檢測環(huán)境中的耦合氣體密度)來提高缺陷檢測精度和靈敏度的方法；搭建了空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)并給出了利用表面反射法和透射法檢測復合材料構件的具體實驗結果。 第五章研究了復雜形廓復合材料構件超聲無損檢測中的關鍵技術。首先分析了厚度連續(xù)變化和突變復合材料構件在超聲檢測時容易出現的誤差，提出了檢測時進行靈敏度補償的方法并給出了具體的檢測實驗結果；利用多高斯聲束模型計算仿真了透射法檢測曲面(凸面、凹面)復合材料構件時不同曲率情況下三層介質(水—復合材料—水)中的聲場分布，重點研究了透過復合材料之后的聲場軸向和徑向剖面分布，并給出了驗證實驗，最后研究了曲面檢測時利用雙機械手搭載超聲換能器對曲面形廓跟蹤的原理及掃查軌跡的路徑規(guī)劃。 第六章基于復雜形廓復合材料構件超聲檢測分析的成果，對復合材料雙機械手超聲自動檢測系統(tǒng)進行了研制，搭建了系統(tǒng)的硬件結構框架，主要包括多關節(jié)機械手及其控制器、脈沖收發(fā)儀、高速A/D數據采集卡、噴水耦合循環(huán)系統(tǒng)等；使用VC#語言編寫了系統(tǒng)的軟件，包括數據采集、機械手運動控制、自動掃查成像、數據后處理等模塊。應用所研發(fā)的雙機械手超聲自動檢測系統(tǒng)開展了實驗研究，首先對掃查軌跡中雙機械手的同步進行了驗證實驗，在此基礎上開展了多種圓筒及曲面形狀復合材料構件的超聲自動掃查實驗，定性分析了系統(tǒng)對不同形狀、不同類型缺陷的形廓識別能力，定量分析了系統(tǒng)對不同缺陷的檢測分辨力。

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