本发明专利技术涉及一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置及方法，属于碳纤维复合材料超声无损检测领域。通过建立一种定量冲击试验装置，对碳纤维复合材料进行冲击试验得到碳纤维复合材料冲击损伤件，通过脉冲回波法激励超声波探头进行检测，使得探头被激发出一个窄脉冲超声波，入射声波在碳纤维复合材料的内部遇到冲击损伤阻抗的界面后发生反射，对反射回波的相位和幅值等特征值进行提取，进而获取能够反映出碳纤维复合材料内部特征的图像，通过数学建模方法建立碳纤维复合材料冲击损伤缺陷特征模型。利用系统分析法对缺陷进行定量分析及力学性能评估，实现快速、准确地碳纤维复合材料冲击损伤缺陷的定量检测。合材料冲击损伤缺陷的定量检测。合材料冲击损伤缺陷的定量检测。
【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置及方法
[0001]本专利技术涉及碳纤维复合材料超声无损检测领域，特别涉及基于碳纤维复合材料冲击损伤缺陷的超声无损检测领域，尤指一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置及方法，可用于轨道交通碳纤维复合材料生产领域。
技术介绍
[0002]由于我国轨道交通行业的快速发展，整体行业对材料的轻量化要求变得更高，早期人们用到的传统金属材料以及合金材料已经越来越难以满足材料的轻量化要求，而碳纤维复合材料具备优异的性能，是目前轨道交通列车轻量化重点研究对象之一。然而在碳纤维复合材料的应用研究中也出现了很多需要解决研究的问题，例如碳纤维复合材料的冲击损伤就是其中比较常见的因素。由于碳纤维复合材料受到冲击损伤后极易形成不同类型的缺陷，对材料性能产生明显影响，易导致复合材料构建服役过程中失效，难以满足轨道交通列车的生产质量及安全性的要求。因此，建立行之有效的碳纤维复合材料冲击损伤后材料性能检测及评估十分重要。
[0003]常用的碳纤维复合材料冲击损伤检测方法主要有超声扫描检测、射线扫描检测或电镜扫描检测等方式。其中超声扫描检测对待测工件适应力强且灵活，在其扫查过程中，可以检测出是否存在缺陷，但往往不能得到损伤材料的力学性能指标，导致碳纤维复合材料失效判定依据不足。因此如何快速、准确、高效地实现对碳纤维复合材料冲击损伤的无损检测、建立有效的性能评估方法十分重要，急需解决。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置及方法，解决了现有技术存在的碳纤维复合材料冲击损伤失效判定问题。本专利技术通过建立一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置，对碳纤维复合材料进行冲击试验得到碳纤维复合材料冲击损伤工件，通过脉冲回波法激励超声波探头进行检测，使得探头被激发出一个窄脉冲超声波，入射声波在碳纤维复合材料的内部遇到冲击损伤阻抗的界面后发生反射，对反射回波的相位和幅值等特征值进行提取，进而获取能够反映出碳纤维复合材料内部特征的图像，通过数学建模方法建立碳纤维复合材料冲击损伤缺陷特征模型。通过超声检测得到的特征参数与缺陷特征模型结合分析关联度，根据关联度判断冲击能量大小，并对工件进行拉伸处理，获取冲击工件的抗拉强度，获得超声检测特征参数与损伤程度的关联度，建立超声检测与碳纤维复合材料力学性能关联，实现对碳纤维复合材料冲击缺陷的识别。
[0005]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007]一、冲击能量输入信息提取：制备不同损伤程度的碳纤维复合材料冲击损伤工件，提取并存储不同损伤程度的工件的冲击能量输入信息；
[0008]二、冲击损伤程度超声评估：将工件浸入水中，采用超声波探头在工件表面进行扫查检测，提取并存储不同损伤程度的工件的超声检测结果；
[0009]所述扫查检测，即为超声探头根据设定的步距L
x
和L
y
，在工件表面进行X
‑
Y向的逐步扫查运动；超声探头在每个步距点发射超声束，并接收超声回波信号A；当超声束在无断裂损伤的工件处进行超声发射和接收时，超声回波信号A包含工件上表面回波A0和工件下表面回波A2；当超声束在断裂损伤的工件处进行超声发射和接收时，超声回波信号A包含工件上表面回波A0和缺陷上表面回波A1，或者包含工件上表面回波A0、缺陷上表面回波A1和工件下表面回波A2；
[0010]所述工件的损伤程度包含工件的表面凹陷程度和工件的断裂程度，工件的表面凹陷程度表示为表面凹坑面积S1和表面凹坑深度H，工件的断裂程度表示为裂纹面积S2，工件损伤程度X则根据表面凹坑面积S1，表面凹坑深度H，工件的断裂程度S2进行综合评估，其评估方法为：
[0011]X＝K0H+K1S1+K2S2[0012]其中，K0、K1、K2分别表示表面凹坑深度、表面凹坑面积和裂纹面积对工件损伤程度的评估系数；
[0013]所述表面凹坑深度H，其获取方法为：
[0014][0015][0016]其中，L1表示为无冲击缺陷处的超声束在工件上表面的回波A0的声程；表示为表面凹坑位置的超声束在工件上表面的回波A0声程的第n个最大值；表示为带有表面凹坑缺陷和无冲击缺陷的上表面回波A0的声程差异的第n个最大值；v0表示超声波在水中传播的声速；n的取值范围根据超声检测系统的随机误差而定，当系统的随机误差较小时，n≤10，当系统的随机误差较大时，10＜n≤30；
[0017]所述表面凹坑面积S1，其获取方法为：
[0018]S1＝L
x
×
L
x
×
N1[0019]其中，L
x
和L
y
分别代表超声束在X向和Y向的步距；N1代表超声C扫描过程中判定为表面凹坑的步距点数量；表面凹坑的判定方法为：
[0020][0021]即，若当前步距点的上表面回波声程差异Δ超过n个最大声程差异的均值的50％时，则判定当前步距点所在的位置为表面凹坑；
[0022]所述内部裂纹面积S2，其获取方法为：
[0023]S2＝L
x
×
L
x
×
N2[0024]其中，N2代表超声C扫描过程中判定为裂纹的步距点数量；内部裂纹采用6dB法进行判定。
[0025]三、将冲击损伤工件进行拉伸测试，提取并存储不同损伤程度的工件的抗拉强度；
[0026]四、采用数学建模方法，建立冲击能量输入、超声检测结果及抗拉强度相关性的数学模型；
[0027]图像特征参数模型公式如下：
[0028][0029]和分别表示为第n种冲击损伤缺陷对应样本面积的特征值参数归一化处理后的最大值和最小值；和分别代表第n种冲击损伤缺陷对应的第k种样本抗拉强度归一化处理后的最小值和最大值；在上述图像特征参数模型中，每一个样本缺陷图像特征参数都分别由附属度、模糊度和非附属度构成，在所述的样本面积特征参数中，和分别表示对应样本面积的特征值参数的附属度、模糊度和非附属度；在上述第k类样品形状特征参数中，和分别表示上述的第k类样品抗拉强度的隶属度、不确定性度和非隶属度；
[0030]对受到冲击损伤的碳纤维复合材料进行检测，获取图像信息；
[0031]对含有冲击缺陷的碳纤维复合材料进行拉伸实验处理，获取碳纤维复合材料冲击后抗拉强度；
[0032]根据图像信息进行处理并获取被测工件特征值参数，特征值参数应包括被测试件面积特征参数和被测试件抗拉强度参数；
[0033]上述被测试件的缺陷图像特征值参数具体如下：
[0034]G
a
＝[(S
a
，d，1
‑
S
a
)，(Q
1a
，t1，1
‑
Q
1a
)，(Q
2a...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
其中，N2代表超声C扫描过程中判定为裂纹的步距点数量；内部裂纹采用6dB法进行判定；三、将冲击损伤工件进行拉伸测试，提取并存储不同损伤程度的工件的抗拉强度；四、采用数学建模方法，建立冲击能量输入、超声检测结果及抗拉强度相关性的数学模型；五、采用超声波探头在待测工件表面进行扫查检测，提取并存储待测工件的超声检测结果；六、将待测工件的超声检测结果输入数学模型，求解出待测工件的冲击能量输入及抗拉强度。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估方法，其特征在于：步骤一所述的冲击能量输入信息提取的方法是：采用同一冲击头在不同高度处降落并冲击待测工件表面，根据冲击头的高度信息，获取冲击能量，其计算方法为：将摆锤提高到设定角度α，摆锤的初始位能E0为：E0＝m1gl
c
sinα+m2gl1sinβ式中，m1‑
杆质量，m2‑
锤头质量，l
c
‑
摆锤轴线至杆重心位置，l1‑
原点O至锤头重心距离，α
‑
杆重心下落的角度，β
‑
锤头重心下落的角度；在冲击之后由于反弹摆锤会有回升，回升的能量为E1，故冲击吸收功K为：K＝E0‑
E1E1＝m1gl
c
sinγ+m2gl1sinθ式中，γ
‑
杆重心回升的角度，θ
‑
锤头重心回升的角度；故冲击吸收功K为，K＝m1gl
c
sinα+m2gl1sinβ
‑
(m1gl
c
sinγ+m2gl1sinθ)＝m1gl
c
(sinα
‑
sinγ)+m2gl1(sinβ
‑
sinθ)。3.一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声定量评估装置，其特征在于：包括冲击模块(1)、水槽(2)、超声检测模块(3)、工业计算机(4)；冲击模块(1)对待测工件进行冲击，形成冲击损伤；水槽(2)用于超声检测过程中实现冲击损伤工件和待测工件的水浸，实现超声检测过程中的耦合；超声检测模块(3)对冲击完成后的冲击损伤工件和待测工件进行超声X
‑
Y向的扫描检测，获取超声检测结果；工业计算机(4)内置电机控制卡、超声发射和超声接收卡以及定量评估算法，控制冲击模块(1)和超声检测模块(3)的运动、数据采集、数据处理、数据存储、数学模型建立以及待测工件的冲击损伤程度评估；所述冲击模块(1)包含固定座(1
‑
1)、铰座(1
‑
2)、光轴(1
‑
3)、光电编码器(1
‑
4)、轴承(1
‑
5)、固定环(1
‑
6)、摇杆(1
‑
7)、冲击锤头(1
‑
8)、垫板(1
‑
9)以及待测工件(1
‑
10)；固定座(1
‑
1)是冲击模块的支座，固定在水槽(2)侧面；绞座(1
‑
2)通过轴和轴承(1
‑
5)与固定座(1
‑
1)连接，使绞座(1
‑
2)绕光轴(1
‑
3)的轴心旋转，实现摇杆(1
‑
7)和冲击锤头(1
‑
8)的移入移出；...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐国成，孙威，董娟，谷晓鹏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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