一种纤维复合材料弹性常数超声相控阵测量方法技术

本发明专利技术公开了一种纤维复合材料弹性常数超声相控阵测量方法。采用超声相控阵采集设备对纤维增强复合材料的单侧进行一次全矩阵数据采集；根据仅一次采集获得的全矩阵数据提取渡越时间并计算获得实际声波群速度；利用声波群速度以及声波群速度与理论群速度之间的关系处理得到纤维增强复合材料的完整弹性常数。本发明专利技术通过单次超声相控阵全矩阵数据采集，自动测量得到纤维增强复合材料全部弹性常数，简化了数据采集方式与步骤及反演计算过程，满足纤维增强复合材料弹性常数原位快速检测与自动测量需求。动测量需求。动测量需求。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维复合材料弹性常数超声相控阵测量方法


[0001]本专利技术涉及了高端装备制造领域的一种材料特定参数测量方法，尤其是设计了一种纤维复合材料弹性常数超声相控阵测量方法。

技术介绍

[0002]纤维增强聚合物基复合材料(Fiber
‑
Reinforced Polymer Composites，以下指FRPCs)是指由聚合物基体和作为增强相的纤维在高温高压等环境下固化形成的材料，主要有碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber
‑
Reinforced Polymer，以下指CFRP材料)、玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber
‑
Reinforced Polymer，以下指GFRP材料)等。由于优越的力学性能和抗疲劳性和耐腐蚀性等特点，FRPCs在航空航天、轨道交通、新能源等高端装备领域获得了广泛应用，如CFRP材料作为理想减重材料被应用于大飞机机翼蒙皮、舱门等主次要结构的制造。相应地，严苛的服役要求和环境也对FRPCs的质量提出了更高的需求。一方面是在产品制造阶段，需要保证成品的质量能够达到服役要求；另一方面是在产品服役阶段，需要对在高温、强紫外辐射等恶劣环境下服役的产品进行实时的损伤检测。因此，在FRPCs产品的整个生命周期中，如何进行自动化的无损检测与评价对于高端装备的制造和服役具有重大意义。
[0003]基于全矩阵采集的相控阵超声无损检测技术因其更全面的信息、更多样化的成像方式和更高的检测效率，已经具备对产品进行高精度自动化无损检测的能力。但由于FRPCs各向异性的特性存在，往往需要先获得材料弹性常数对成像算法进行一定的校准，以获得准确的材料内部成像结果。
[0004]传统力学测试的方法需要对产品进行破坏，成本较高且耗时间较长。大连理工大学苏慧敏等利用超声液浸背反射法获得FRPCs弹性常数，但需要对在水中浸没的材料进行角度偏转，操作困难且耗时较长。
[0005]另一种常见的方法是背板反射法(Backwall reflection method，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底面渡越时间和群速度，再利用群速度计算得到底面回波的相速度分布，反演所有弹性常数。这种方法需要多次采集数据，反演操作复杂、耗时较长且精度较差，仍不满足自动化无损检测的要求。

技术实现思路

[0006]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纤维增强复合材料弹性常数测量方法。
[0007]本专利技术方法测试过程简单，可靠性高，且无需更换检测探头和采集方式，能够实现对FRPCs的原位自动化无损检测，具有良好的前景。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：
[0009]S1、采用超声相控阵采集设备对纤维增强复合材料的单向板单侧进行一次全矩阵数据采集，获得全矩阵数据；
[0010]具体实施中，可提供与检测产品相同材料与方法制成的单向板，将相控阵探头平行于材料纤维主轴方向置于材料一侧，进行一次相控阵超声采集获得全矩阵数据。
[0011]S2、根据仅一次采集获得的全矩阵数据提取渡越时间并计算获得实际声波群速度；
[0012]S3、建立声波群速度与理论群速度之间的特定关系，利用声波群速度以及声波群速度与理论群速度之间的关系处理得到纤维增强复合材料的完整弹性常数。
[0013]所述的渡越时间为超声相控阵采集设备中所有阵元间传播角度底面反射回波A扫信号中底面回波实际到达时间。
[0014]所述脉冲
‑
回波模式和俯仰
‑
捕捉模式分别为全矩阵数据中A扫信号所属的两种模式。
[0015]本专利技术是建立了声波群速度和弹性常数之间的全新关系进而获得弹性常数，仅通过一次采集获得的全矩阵数据进行数据处理获得纤维增强复合材料的弹性常数测量结果，能够对弹性常数进行原位测量，简化弹性常数获取过程，实现简单高效稳定测量纤维增强复合材料弹性常数的效果优势。
[0016]所述步骤S2中，提取的渡越时间包括全矩阵数据中A扫信号的渡越时间。
[0017]所述步骤S2中，提取的渡越时间包括全矩阵数据中脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间，以及全矩阵数据中俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间。
[0018]所述的A扫信号是为一条一维数据。
[0019]所述步骤S2中，计算实际声波群速度具体为：
[0020]S21、按照以下公式利用提取得到的脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间，分别计算得到准纵波、准横波和纯横波的实际群速度，公式如下：
[0021]V
g1
＝2d/T1[0022]V
g2
＝2d/T2[0023]V
g3
＝2d/T3[0024]其中，d为纤维增强复合材料的厚度，T1、T2、T3分别为储存脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间的数组；V
g1
、V
g2
与V
g3
分别为脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的实际群速度；
[0025]S21、按照以下公式利用提取得到的俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间，计算得到发射角度θ下准纵波的实际群速度，公式如下：
[0026]V
g4
＝2d/(sinθ*T4)
[0027]其中，T4为储存俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间的数组，V
g4
分别为俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的实际群速度；θ表示发射角度。
[0028]所述发射角度θ按照以下公式处理获得：
[0029]θ＝tan
‑1(2d/(|m
‑
n|*pitch))
[0030]其中，n为超声相控阵采集设备中的发射阵元数为，m为超声相控阵采集设备中的接收阵元数，pitch为超声相控阵采集设备中的阵元间距。
[0031]本专利技术是利用所述全矩阵数据获得的A扫回波信号中，准纵波、准横波、纯横波底面回波到达差异，依次提取不同回波渡越时间；
[0032]针对脉冲
‑
回波模式采集的A扫信号，提取准纵波、准横波和纯横波渡越时间；针对俯仰
‑
捕捉模式采集的A扫信号，只提取能量最强，最先到达的准纵波渡越时间。
[0033]所述步骤S3具体为：
[0034]S31、利用脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的实际群速度V
g1
、V
g2
与V
g3
，按照以下公式计算得到弹性常数C22、C44、C55，计算公式如下：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维复合材料弹性常数超声相控阵测量方法，其特征在于，方法包括：S1、采用超声相控阵采集设备对纤维增强复合材料的单侧进行一次全矩阵数据采集；S2、根据仅一次采集获得的全矩阵数据提取渡越时间并计算获得实际声波群速度；S3、建立声波群速度与理论群速度之间的特定关系，利用声波群速度以及声波群速度与理论群速度之间的关系处理得到纤维增强复合材料的完整弹性常数。2.根据权利要求1所述的一种基于超声全矩阵数据的纤维增强复合材料弹性常数测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，提取的渡越时间包括全矩阵数据中A扫信号的渡越时间。3.根据权利要求1所述的一种基于超声全矩阵数据的纤维增强复合材料弹性常数测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，提取的渡越时间包括全矩阵数据中脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间，以及全矩阵数据中俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间。4.根据权利要求1所述的一种基于超声全矩阵数据的纤维增强复合材料弹性常数测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，计算实际声波群速度具体为：S21、按照以下公式利用提取得到的脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间，分别计算得到准纵波、准横波和纯横波的群速度，公式如下：V
g1
＝2d/T1V
g2
＝2d/T2V
g3
＝2d/T3其中，d为纤维增强复合材料的厚度，T1、T2、T3分别为储存脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的渡越时间的数组；V
g1
、V
g2
与V
g3
分别为脉冲
‑
回波模式的A扫信号的准纵波、准横波和纯横波的实际群速度；S21、按照以下公式利用提取得到的俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间，计算得到发射角度θ下准纵波的实际群速度，公式如下：V
g4
＝2d/(sinθ*T4)其中，T4为储存俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的渡越时间的数组，V
g4
分别为俯仰
‑
捕捉模式的A扫信号的准纵波的实际群速度；θ表示...

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