一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法技术

一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，属于高端装备制造及检测领域。该方法包括以下步骤：建立复杂形状构件R区相控阵超声检测模型；设计相控阵超声表面适应法（Surface Adaptive Ultrasound，SAUL）结合接收聚焦检测方案；利用有限元模型读取各孔径阵元到对应焦点的声时，计算复杂形状构件R区相控阵超声检测接收聚焦法则；利用SAUL发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号并进行接收聚焦处理，获得相控阵超声表面自适应法结合接收聚焦的成像结果。本方法在SAUL的基础上提出结合接收聚焦提高复杂形状构件R区相控阵超声检测的横向分辨力，降低了检测噪声并避免了伪像，为复杂形状构件R区缺陷高质量检测提供支持。

A method to improve the capability of r-area phased array ultrasonic testing for complex shape components

【技术实现步骤摘要】
一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法
本专利技术涉及一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，属于高端装备制造及检测领域。
技术介绍
随着工业技术的发展和结构设计要求的不断提高，工程构件的几何形状越来越复杂，普遍存在拐角区，即R区。在制造和使用过程中，R区极易产生缺陷，为保证构件的制造质量和服役安全，必须发展可靠的无损检测技术。目前，相控阵超声技术在复杂形状构件R区缺陷检测方面表现出较大应用潜力，但仍存在形状适应性差、缺陷分辨能力弱等问题。相控阵超声表面适应法（SurfaceAdaptiveUltrasound，SAUL）作为一种先进的成像检测技术，能够适应构件复杂形状，实现超声波在构件表面的垂直入射，为R区缺陷检测提供了新方案。研究表明，SAUL对复杂形状构件R区单缺陷的检测效果较好，但当R区周向同时存在两个或两个以上缺陷时，由于其横向分辨力不足，检测效果并不理想。因此，在SAUL基础上开发后处理成像方法，对提高R区多缺陷检测能力具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提出一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法。利用该方法可以提高SAUL横向检测分辨力，从而提高R区多缺陷的检测能力，为复杂形状构件高质量检测提供支持。本专利技术采用的技术方案如下：一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，在利用SAUL发射超声波的基础上，对接收信号进行聚焦，提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力，该方法包括以下几个步骤：（1）建立有限元仿真模型测量试样的密度及弹性参数，利用金相法获得其微观组织和几何参数；根据检测所用相控阵超声探头规格及超声激励参数，包括阵列形式、晶片数量、晶片间距，发射信号的主频、频带宽度和相位，在COMSOLMultiphysics有限元仿真软件进行相应设置，建立复杂形状构件R区模型；（2）SAUL延时法则计算基于步骤（1）中有限元仿真模型，对相控阵超声探头各阵元不施加延时，第一次发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号，读取超声波由各阵元到R区表面的渡越时间，由此计算相控阵超声第二次发射超声波的延时法则；以此类推，直至前后两次延时差小于0.05μs，从而获得SAUL发射超声波的延时法则；（3）接收聚焦延时法则计算设相控阵超声探头为线性阵列，阵元总数为N，进行接收聚焦孔径的阵元数为m，孔径之间的步进为1个阵元，则用于聚焦的孔径总数为N-m+1；设置各焦点与试样圆心连线过孔径中心，焦点深度范围为试样1/2厚度至底面；利用步骤（1）中有限元仿真模型计算第n个阵元发射的超声波传播至焦点所用的时间tn，对应接收聚焦延时法则计算公式为：其中，Δti为第n个阵元的延时；（4）相控阵超声成像检测基于步骤（1）中有限元仿真模型，建立含多个缺陷的复杂形状构件R区模型；按步骤（2）中计算得到的延时法则发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号，并对其施加步骤（3）中计算的接收聚焦延时法则，按角度排列绘制成扇形图，即获得SAUL结合接收聚焦的成像结果，提高复杂形状构件R区缺陷成像检测能力。本专利技术的有益效果是：这种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，建立复杂形状构件R区相控阵超声检测模型，设计SAUL结合接收聚焦检测方案，利用有限元模型读取各孔径阵元到对应焦点的声时，计算复杂形状构件R区相控阵超声检测接收聚焦法则，利用SAUL发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号并进行接收聚焦处理，获得SAUL结合接收聚焦的成像结果。本方法在SAUL的基础上提出结合接收聚焦提高复杂形状构件R区相控阵超声检测的横向分辨力，降低了检测噪声并避免了多缺陷检测时存在的伪像问题，改善了复杂形状构件R区缺陷成像检测效果。附图说明下面结合附图，以碳纤维增强树脂基复合材料（CarbonFiberReinforcedPlastic，CFRP）T型长桁试样R区检测为实施例对本专利技术作进一步说明。图1是R区有限元仿真模型。图2是SAUL迭代过程中延时法则变化图。图3是R区接收聚焦焦点位置示意图。图4是孔径5对应焦点接收的各阵元信号。图5是孔径5各阵元延时。图6是含双分层缺陷的R区有限元仿真模型。图7是R区周向双分层缺陷SAUL检测结果。图8是接收聚焦后R区周向双分层缺陷SAUL检测结果。具体实施方式（1）建立有限元仿真模型针对CFRP材料T型长桁试样，利用阿基米德排水法测量得到试样的密度为1542kg/m3；由金相法测得该试样单铺层厚度为0.15mm，铺层总数为40层，其中R区部分为20层，铺层顺序为[45°/90°/-45°/0°]5，总厚度为3.0mm，R区曲率半径为5mm，圆心角度为90°。采用超声液浸背反射法测量CFRP材料T型长桁对应单向板试样不同方向的声速，然后通过模拟退火算法反演得到单向板90°方向铺层的弹性刚度矩阵，再经过Bond变换即可得到0°、45°和-45°方向铺层的弹性刚度矩阵，四种方向铺层的弹性刚度矩阵如下所示：基于上述材料属性和参数，在COMSOLMultiphysics有限元仿真软件中建立如图1所示不含缺陷的R区模型。其中，试样上方区域为耦合区，介质为水；下方区域为填充区，模拟T型试样三角区。相控阵超声探头为线性阵列，探头下表面距R区圆心高度为9.3mm，晶片数量为32，晶片间距为0.6mm，发射信号的主频为2.25MHz，频带宽度为80%，相位为0°。探头设置为声压边界，耦合区和试样接触界面设置为声－结构边界，底部为自由边界。（2）SAUL延时法则计算基于步骤（1）中有限元仿真模型，对相控阵超声探头各阵元不施加延时（图2（延时1）），第一次发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号，读取超声波由各阵元到R区表面的渡越时间，由此计算相控阵超声第二次发射超声波的延时法则（图2（延时2）），与延时1的最大差值为0.0995μs，大于0.05μs，则按上述步骤继续计算延时，得到图2中延时3、4和5，发现最后两次延时最大差值为0.03μs，小于0.05μs，从而将延时5作为SAUL发射超声波的延时法则。（3）接收聚焦延时法则计算本例中使用相控阵超声线性阵列探头阵元总数为32，接收聚焦孔径阵元数为6，孔径之间的步进为1个阵元，则用于聚焦的孔径总数为27。为保证各孔径聚焦声束与R区表面垂直，设置各焦点与试样圆心连线过孔径中心，焦点深度位于试样1/2厚度处，如图3所示。以孔径5为例说明其接收聚焦延时法则的获取过程。依次激发孔径5中包含的第5-10号阵元，利用COMSOLMultiphysics有限元仿真软件在焦点处设置点探针，即可得到超声波经水传播至焦点位置的A扫描信号，图4即为在焦点处接收到的孔径5不同阵元发射的超声波信号。读取第5号阵元纵波信号峰值对应时间即为该阵元发射的超声波传播至焦点所用的时间t5为12.30μs，同理可得到第6-10号阵元对应时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，其特征是：在利用相控阵超声表面适应法发射超声波的基础上，对接收信号进行聚焦，提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力，包括以下几个步骤：/n（1）建立有限元仿真模型/n测量试样的密度及弹性参数，利用金相法获得其微观组织和几何参数；根据检测所用相控阵超声探头规格及超声激励参数，包括阵列形式、晶片数量、晶片间距，发射信号的主频、频带宽度和相位，在COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进行相应设置，建立复杂形状构件R区模型；/n（2）相控阵超声表面适应法延时法则计算/n基于步骤（1）中有限元仿真模型，对相控阵超声探头各阵元不施加延时，第一次发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号，读取超声波由各阵元到R区表面的渡越时间，由此计算相控阵超声第二次发射超声波的延时法则；以此类推，直至前后两次延时差小于0.05 μs，从而获得相控阵超声表面适应法发射超声波的延时法则；/n（3）接收聚焦延时法则计算/n设相控阵超声探头为线性阵列，阵元总数为

【技术特征摘要】
1.一种提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力的方法，其特征是：在利用相控阵超声表面适应法发射超声波的基础上，对接收信号进行聚焦，提高复杂形状构件R区相控阵超声检测能力，包括以下几个步骤：
（1）建立有限元仿真模型
测量试样的密度及弹性参数，利用金相法获得其微观组织和几何参数；根据检测所用相控阵超声探头规格及超声激励参数，包括阵列形式、晶片数量、晶片间距，发射信号的主频、频带宽度和相位，在COMSOLMultiphysics有限元仿真软件进行相应设置，建立复杂形状构件R区模型；
（2）相控阵超声表面适应法延时法则计算
基于步骤（1）中有限元仿真模型，对相控阵超声探头各阵元不施加延时，第一次发射超声波，各阵元并行接收A扫描信号，读取超声波由各阵元到R区表面的渡越时间，由此计算相控阵超声第二次发射超声波的延时法则；以此类推，直至前后两次延时差小于0.05μs，从而获得相...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗忠兵，林莉，李飞龙，苏慧敏，张松，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21