【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于cfrp缺陷检测领域，具体涉及一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法及系统。
技术介绍
1、cfrp(carbon fiber reinforced plastics，碳纤维增强树脂基复合材料)是以碳纤维为增强体，树脂为基体的复合材料，因其轻质、高强度等特点，广泛应用于飞机的承力构件。
2、借助相控阵超声检测技术检出cfrp内部缺陷是实现cfrp质量控制的一种重要手段。相比于均匀的各向同性金属材料，cfrp存在各向异性和内部结构的非均匀性，在不同方向碳纤维铺层之间的界面处，声学特性失配，倾斜入射至该处的超声波将改变传播方向和声速。目前工业上对cfrp缺陷的检测多采用相控阵超声b扫和c扫。
3、然而相控阵超声b扫和c扫均是二维成像的检测方法，对于简单结构的cfrp可以实现缺陷的有效检出，而对于复杂结构的cfrp难以有效获取缺陷信息，可靠性和精确性较低。此为现有技术的不足之处。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法及系统，以有效获取缺陷信息，提高检测的可靠性和精确性。
2、第一方面，本专利技术提供一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，方法基于矩形阵列换能器和阵列超声检测控制单元，矩形阵列换能器和阵列超声检测控制单元相连，方法包括步骤：
3、s1：建立cfrp试样的三维模型；
4、s2：将矩形阵列换能器通过耦合楔块紧贴
5、s3：基于矩形阵列换能器和cfrp试样的相对位置关系，在三维模型上用圆点对应标识出矩形阵列换能器的各阵元，得到一个新的三维模型，各圆点记为其对应阵元的阵元标识点；
6、s4：提取所述新的三维模型上与检测成像区域对应的部分并对其进行网格化处理，得到第一网格模型；所述检测成像区域为cfrp试样上与矩形阵列超声换能器的阵元阵列位置正对的部分；在第一网格模型中，每个网格的高度为cfrp试样上单个碳纤维铺层的厚度，每个网格节点均为目标离散点；
7、s5：对第一网格模型进行网格化处理，网格化处理后的第一网格模型中每一个网格的中心点为聚焦点；
8、s6：计算cfrp试样的每一个碳纤维铺层的声波群速度；
9、s7：记cfrp试样上与网格化处理后的第一网格模型上的聚焦点位置相对应的点为第二目标点，基于超声声束在耦合楔块中的传播速度、各阵元标识点、各目标离散点以及计算所得的声波群速度，为矩形阵列换能器上每一个阵元发射的超声声束传播到cfrp试样上每一个第二目标点的传播时间均建立一个声时矩阵；
10、s8：在每一个声时矩阵中搜索声时矩阵对应阵元发射的超声声束传播到其对应第二目标点的最短传播时间，得到矩形阵列换能器上每一个阵元发射的超声声束传播到cfrp试样上每一个第二目标点的传播时间；
11、s9：基于所得到的矩形阵列换能器上每一个阵元发射的超声声束传播到cfrp试样上每一个第二目标点的传播时间，利用三维全聚焦成像算法对采集的全矩阵数据进行偏移叠加得到每一个第二目标点对应的聚焦点的成像幅值；
12、s10：基于聚焦点及其成像幅值，将网格化处理后的第一网格模型上每一个聚焦点对应的网格作为一个像素进行三维成像，并基于三维成像的结果对缺陷进行表征，即得到cfrp试样的缺陷表征。
13、进一步地，步骤s2包括：
14、将矩形阵列换能器紧贴耦合楔块，耦合楔块紧贴cfrp试样；
15、在计算机上设置阵列超声检测控制单元的检测方案；
16、阵列超声检测控制单元基于所述的检测方案激励矩形阵列换能器的阵元逐个发射超声声束，并针对每个阵元发射的超声声束采集全矩阵数据；
17、阵列超声检测控制单元将采集的全矩阵数据传输到计算机进行保存。
18、进一步地，步骤s6包括：
19、通过christofflel方程，计算cfrp试样每一个碳纤维铺层的声波相速度，计算的公式为：
20、
21、式中，cp为声波相速度，为cfrp试样的4阶弹性刚度系数矩阵，β为铺层方向与铺层内碳纤维方向的夹角，γil为christoffel声张量，ul为cfrp试样的质点位移，ρ为cfrp试样的材料密度，δil为kronecker函数，ni及nj表示波前法向量的方向余弦；当铺层方向与碳纤维方向的夹角β＝0时，刚度系数矩阵为β不为0时，通过三维旋转矩阵进行计算得到
22、基于每一个碳纤维铺层的声波相速度cp计算cfrp试样对应碳纤维铺层的声波群速度，计算的公式为：
23、
24、式中，cg为声波群速度，uj及uk为christoffel声张量γil的特征向量，nl为单位矢量。
25、进一步地，步骤s7包括：
26、记cfrp试样的各碳纤维铺层上表面上与网格模型上的目标离散点位置相对的点为第一目标点，计算每一个阵元标识点与网格模型上表面上每一个目标离散点之间的距离，对应得到每一个阵元与cfrp试样上第一个碳纤维铺层中每一个第一目标点之间的距离，将计算所得的各距离分别除以超声声束在耦合楔块中的传播速度，对应得到矩形阵列换能器上每一个阵元发射的超声声束传播到cfrp试样上第一个碳纤维铺层中每一个第一目标点的传播时间；第一个碳纤维铺层为与耦合楔块接触的碳纤维铺层；
27、计算网格模型各相邻两层上表面上的目标离散点之间的距离，对应得到cfrp试样上各相邻碳纤维铺层中第一目标点之间的距离，将计算所得的距离除以相邻碳纤维铺层中上面碳纤维铺层对应的声波群速度，得到矩形阵列换能器发射的超声声束在cfrp试样的各相邻碳纤维铺层中第一目标点之间传播的传播时间；
28、计算网格模型各层上表面上的目标离散点与该层聚焦点之间的距离，对应得到cfrp试样上第一目标点与cfrp试样上与所述第一目标点对应的碳纤维铺层中第二目标点之间的距离，将计算所得的距离除以所述对应的碳纤维铺层的声波群速度，得到矩形阵列换能器上的阵元发射的超声声束从cfrp试样上各碳纤维铺层中第一目标点传播到第二目标点的传播时间；
29、记cfrp单个碳纤维铺层中第一目标点的数量为m；
30、对于每一个声时矩阵，记该声时矩阵对应的阵元为当前阵元，对应的第二目标点为当前第二目标点：
31、在当前第二目标点位于第一个碳纤维铺层时，声时矩阵由两个1×m的行矩阵组成，记第一个行矩阵为a，第二个行矩阵为c，声时矩阵表示为：
32、
33、其中，矩阵a中每个元素为am,m＝1,2,3,...,m，am为矩阵a的第m个元素，am取值为从当前阵元发射的超声声束传播到第一个碳纤维铺层第m个第一目标点的传播时间，矩阵c中每个元素为cm,m＝1,2,3,...,m，cm为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，方法基于矩形阵列换能器、耦合楔块和阵列超声检测控制单元，矩形阵列换能器和阵列超声检测控制单元相连，其特征在于，方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤S2包括：
3.根据权利要求2所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤S6包括：
4.根据权利要求3所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤S7包括：
5.根据权利要求4所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤S8包括：
6.根据权利要求5所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，矩形阵列换能器中的每一个阵元，均为发射阵元和接收阵元；
7.根据权利要求6所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤S10包括：
8.一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测系统，其特征在于，包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，方法基于矩形阵列换能器、耦合楔块和阵列超声检测控制单元，矩形阵列换能器和阵列超声检测控制单元相连，其特征在于，方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤s2包括：
3.根据权利要求2所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其特征在于，步骤s6包括：
4.根据权利要求3所述的基于矩形阵列换能器的复合材料结构检测方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：李小丽，陈新波，周正干，王正，朱甜甜，王俊，周文彬，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：
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