一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法技术

本发明专利技术公开了一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。本发明专利技术是采用超声相控阵对复合材料单侧进行仅一次全矩阵数据采集，利用不同传播角度A扫信号计算得到四种弹性常数；利用四种弹性常数与各个播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，进而计算不同铺层内准纵波群速度分布；针对实际检测利用准纵波群速度分布自适应校正延时，进行全聚焦成像以表征缺陷。本发明专利技术利用弹性常数与群速度分布间的关系获得了准确的延时，并能够自适应校正，简化了任意铺层复合材料层合板的声速分布曲线计算过程，满足复合材料层合板内部缺陷自动化无损检测需求。化无损检测需求。化无损检测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法


[0001]本专利技术涉及了高端装备制造领域的一种材料内部缺陷无损检测方法，尤其是涉及了一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。

技术介绍

[0002]复合材料凭借其优越的力学性能、抗腐蚀性、耐疲劳性以及可设计性等特点，已经被应用于航空航天、轨道交通、建筑以及新能源等高端装备领域作为主承载结构，发挥着重要的作用，相应地也对其制造质量提出了更高的要求。因此，对复合材料在制造及服役阶段产生的如分层、裂纹、褶皱等缺陷进行高精度无损检测具有重要的意义。常见的无损检测方法有涡流、红外热成像、X射线、电子计算机断层扫描(CT)和超声等，其中超声具有穿透深度大、检测分辨率好、设备便携、安全且成本低等特点，已经被广泛用于管道焊缝、铁轨等各向同性构件的检测。基于超声相控阵探头（Phasedarrayprobe）采集的全矩阵捕获（Fullmatrixcapture,FMC）数据，结合全聚焦算法（Totalfocusmethod,TFM）对材料内部缺陷反射或透射信号进行聚焦，对内部缺陷进行成像。结合图像便可以得到缺陷大小、形状、位置等信息，从而对材料质量进行评价。
[0003]目前的全聚焦算法针对各向同性构件具有较好的成像信噪比与缺陷分辨率，但针对各向异性材料，如碳纤维树脂基增强复合材料（CarbonFiber
‑
ReinforcedPolymer，以下指CFRP材料）、玻璃纤维树脂基增强复合材料（GlassFiber
‑
ReinforcedPolymer，以下指GFRP材料）等，由于内部声速各向异性分布产生的波形畸变，导致聚焦位置偏移无法正确对缺陷进行成像。因此，针对各向异性材料往往需要根据材料内部声速分布对全聚焦延时计算进行才能提高成像质量。
[0004]复合材料内部声速分布的直接获得主要通过均质化方法实现，将整块复合材料考虑成均匀各向异性，通过背板反射法（Backwallreflectionmethod，BRM），利用单探头或线阵探头获得不同角度的反射底面回波，计算对应传播路径的群速度分布曲线。但因为复合材料内部树脂带来的高衰减影响，较大角度的底面反射回波能量弱，无法精确得到较大角度的声速分布。此外均质化的方法忽略了不同铺层的层间折射与反射，会造成一定误差。且针对不同铺层顺序的复合材料，需要重新采集底面回波计算群速度分布。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。本专利技术方法过程简单，可靠性高，且无需更换检测探头和采集方式，能够实现对任意铺层顺序的复合材料内部缺陷的全聚焦成像，具有良好的前景。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：S1、使用超声相控阵采集设备对复合材料的单向板沿单侧平行纤维方向进行仅一次相控阵全矩阵数据采集，得到一组全矩阵数据；S2、根据S1仅一次采集获得的全矩阵数据，提取不同传播角度下其中的A扫信号的
准纵波与准横波的回波渡越时间进而计算获得各个弹性常数；S3、建立弹性常数与任意传播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，利用得到弹性常数计算获得不同铺层内准纵波的群速度分布；S4、针对任意铺层顺序的复合材料的层合板处理得到准纵波的群速度分布，利用准纵波的群速度分布作为传播声速分布进行自适应校正延时，对复合材料进行全聚焦成像，目的是完成对复合材料内部可能产生的缺陷进行成像检测。
[0007]本专利技术的传播角度是指群速度的传播方向。
[0008]具体实施中，所述S1中，提供与待检测复合材料相同的材料与工艺制成的固定厚度的单向板，将超声相控阵采集设备的相控阵探头平行于材料纤维方向地置于材料一侧，对材料进行一次相控阵超声采集获得全矩阵数据。
[0009]所述步骤S2中，提取的回波渡越时间包括全矩阵数据中传播角度为90
°
的A扫信号中准纵波与准横波的回波渡越时间、传播角度为0
°
的A扫信号中准纵波的回波渡越时间以及传播角度为0
°
到90
°
之间的准纵波的回波渡越时间。
[0010]所述步骤S2中，根据提取的回波渡越时间计算弹性常数C
11
、C
22
、C
55
和C
13
的具体过程为：S21、利用提取的传播角度为90
°
的A扫信号的准纵波、准横波的回波渡越时间，按照以下公式分别计算得到弹性常数C
22
和C
55
，公式如下：C
22
=ρ(2d/t
QP
(90
°
))2C
55
=ρ(2d/t
QSV
(90
°
))2其中，ρ为复合材料单向板密度，d为复合材料单向板厚度，t
QP
(90
°
)与t
QSV
(90
°
)分别为传播角度为90
°
的第一次准纵波和第一次准横波的回波渡越时间；C
22
、C
55
分别表示复合材料刚度矩阵中第二行与第二列对应位置的弹性常数和第五行与第五列对应位置的弹性常数；刚度矩阵指的是用于表征各向异性线弹性体弹性特征的一个6
×
6的矩阵，是一个常规参数。
[0011]S22、利用提取的传播角度为非90
°
的A扫回波信号，提取沿纤维方向(即传播角度0
°
)传播的准纵波的回波渡越时间，计算弹性常数C
11
：C
11
=ρ(l/t
QP
(0
°
))2其中，l为超声相控阵采集设备的相控阵探头中发射阵元与接收阵元之间水平距离，t
QP
(0
°
)为准纵波表面波渡越时间；C
11
表示刚度矩阵中第一行与第一列对应位置的弹性常数；S23、利用传播角度为非90
°
的A扫回波信号，提取第一次准纵波的回波渡越时间，结合三个弹性常数C
11
、C
22
与C
55
，按照以下通过全局优化算法求解得到剩余弹性常数C
13
：f(C
13
)=Min∑(V
g
(C
11
,C
22
,C
55
,C
13
)
‑
2d/(sin(θ)t
QP
(θ)))2V
g
(C
11
,C
22
,C
55
,C
13
)=sqrt((V
gx
)2+(V
gz
)2)V
gx
=(k
x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于，方法包括：S1、使用超声相控阵采集设备对复合材料的单向板进行一次相控阵全矩阵数据采集，得到一组全矩阵数据；S2、根据S1仅一次采集获得的全矩阵数据，提取不同传播角度下A扫信号的准纵波与准横波的回波渡越时间进而计算获得各个弹性常数；S3、建立弹性常数与任意传播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，计算获得不同铺层内准纵波的群速度分布；所述步骤S3具体为：S31、建立角速度与波矢相关的函数进行求解并从中提取准纵波解；S32、根据求解获得的准纵波解结合步骤S2获得的各个弹性常数处理获得角速度w相对于传播角度的三个方向的微分量；S33、最后按照公式处理获得三维方向上的群速度矢量作为准纵波的群速度；S34、根据不同铺层的传播角度设定不同的三个方向处理获得各个铺层内的准纵波的群速度，从而获得不同铺层内准纵波的群速度分布；S4、针对任意铺层顺序的复合材料处理得到准纵波的群速度分布，利用准纵波的群速度分布作为传播声速分布进行自适应校正延时，对复合材料的缺陷区域进行全聚焦成像。2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述S1中，提供与复合材料相同的材料与工艺制成的固定厚度的单向板，将超声相控阵采集设备的相控阵探头平行于材料纤维方向地置于材料一侧，对材料进行一次相控阵超声采集获得全矩阵数据。3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤S2中，提取的回波渡越时间包括全矩阵数据中传播角度为90
°
的A扫信号中准纵波与准横波的回波渡越时间、传播角度为0
°
的A扫信号中准纵波的回波渡越时间以及传播角度为0
°
到90
°
之间的准纵波的回波渡越时间。4.根据权利要求1或3所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据提取的回波渡越时间计算弹性常数C
11
、C
22
、C
55
和C
13
的具体过程为：S21、利用提取的传播角度为90
°
的A扫信号的准纵波、准横波的回波渡越时间，按照以下公式分别计算得到弹性常数C
22
和C
55
，公式如下：C
22
=ρ(2d/t
QP
(90
°
))2C
55
=ρ(2d/t
QSV
(90
°
))2其中，ρ为复合材料单向板密度，d为复合材料单向板厚度，t
QP
(90
°
)与t
QSV
(90
°
)分别为传播角度为90
°
的第一次准纵波和第一次准横波的回波渡越时间；C
22
、C
55
分别表示复合材料刚度矩阵中第二行与第二列对应位置的弹性常数和第五行与第五列对应位置的弹性常数；S22、利用提取的传播角度为非90
°
的A扫回波信号，提取沿纤维方向传播的准纵波的回波渡越时间，计算弹性常数C
11
：C
11
=ρ(l/t
QP
(0
°
))2其中，l为超声相控阵采集设备的相控阵探头中发射阵元与接收阵元之间水平距离，t
QP
(0
°
)为准纵波表面波渡越时间；C
11
表示刚度矩阵中第一行与第一列对应位置的弹性常数；S23、利用传播角度为非90
°
的A扫回波信号，提取第一次准纵波的回波渡越时间，结合三个弹性常数C
11
、C
22
与C
55
，按照以下通过全局优化算法求解得到剩余弹性常数C
13
：f(C
13
)=Min∑(V
g
(C
11
,C
22
,C
55
,C
13
)
‑
2d/(sin(θ)t
QP
(θ)))2V
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(C
11
,C
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,C
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,C
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)=sqrt((V
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x
/ρw)[
‑
(C
11
+C
55
)ρw2+2C
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C
55
k
x2
+(C
11
C
22
‑
C
132
‑
2C
13
C
55
)k
z2
]/[(C
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+C
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)k
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+(C
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13
C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，俞振炀，吴施伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：