的應(yīng)用超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)有缺陷碳纖維桿多分層

1、應(yīng)用超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)有缺陷的碳纖維桿多分層1.簡(jiǎn)介新型結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)，如光 一重量縱梁增援的滑翔機(jī)，飛機(jī)，和在運(yùn) 輸部門的船，游艇和汽車采用碳纖維增強(qiáng)塑料（布）棒。每根桿由一群碳纖維 層數(shù)直徑接近幾微米，整體圓柱狀或粘在一起方形桿結(jié)構(gòu)。 典型的直徑的圓弧 型桿是3毫米，橫向尺寸的方形桿3毫米3毫米。此外，這些小的橫向尺寸棒粘 到環(huán)氧樹脂填充矩陣構(gòu)建任意晶石簡(jiǎn)介。這樣的結(jié)構(gòu)可用于懸掛單位和公路橋 梁怎么樣。最常見的材料結(jié)構(gòu)像梁和工字梁是石墨 sm315復(fù)合。這種材料是六 倍以上比鋁，兩次嚴(yán)厲和近一半的重量1 , 2。該石墨是一個(gè)非常特殊的材料由于其性能， 如輕，彈性，強(qiáng)度和耐腐蝕的。 橫截面

2、的滑翔機(jī)大梁，這是加強(qiáng)使用粘碳纖維布循環(huán)型桿一起，呈現(xiàn)在圖1（ a） 還，由于質(zhì)量差或缺乏之間的環(huán)氧樹脂膠鄰近的纖維，多分層式的缺陷發(fā)生。 因此，無粘結(jié)地區(qū)的碳纖維棒是很敏感的機(jī)械負(fù)載，外部勢(shì)力和變形。其他類 型的缺陷可能是纖維斷裂，減少密度，因此，剛度和整體結(jié)構(gòu)的安全問題鋼筋 使用這種棒的質(zhì)量取決于單桿。適當(dāng)?shù)臒o損檢測(cè)技術(shù)用于碳纖維棒應(yīng)適用之前 它們粘合在一起，作為修復(fù)程序的最后組裝結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。無缺陷和有缺 陷的碳循環(huán)的照片一形桿多分層以檢查在圖。1 （b）和（c）。最理想的檢測(cè)技術(shù)原理，使檢查相對(duì)長(zhǎng)圓柱形元件（長(zhǎng)度接近10米或以上），是一個(gè)長(zhǎng)距離超聲技術(shù)的基礎(chǔ)上利用低頻導(dǎo)波。這種波可

3、能遠(yuǎn)距離傳播 和管狀結(jié)構(gòu)，平面用于管道檢測(cè)。的原理和優(yōu)點(diǎn)，引導(dǎo)應(yīng)用檢查管道或管狀結(jié) 構(gòu)由考利等人。3,4，洛等人。5和裴等人。6。本工作的目的是研究與發(fā)展無損檢測(cè)技術(shù)，它是基于應(yīng)用超聲波導(dǎo)波和用 于檢測(cè)多分層加固桿被用于航天應(yīng)用圖1。碳纖維棒粘在一起的環(huán)氧填充矩陣：（a）斷面的滑翔機(jī)制成的碳纖 維桿縱梁循環(huán)型粘合為基質(zhì)，（b）無缺陷的碳纖維桿和（c）有缺陷的碳纖維 桿多分層。2.導(dǎo)波在各向異性介質(zhì)中傳播規(guī)律波導(dǎo) 2.1適當(dāng)?shù)牟Ｊ竭x擇的半解析有限元方法多模式導(dǎo)波特性要求選擇適當(dāng)?shù)谋匾绞剑瑮l件和參數(shù)激發(fā)和接收，這是直接關(guān)系到調(diào)查對(duì)象-碳纖維桿。這一部分的目的是選擇的分析計(jì)算技術(shù)的傳 播模式的導(dǎo)

4、波在一個(gè)適當(dāng)?shù)奶祭w維復(fù)合材料筒。分析研究諧波導(dǎo)波傳播無限的 空心圓筒已由加齊斯和zemmane幾十年前7,8,9 。選擇的一種方法一私人模式導(dǎo)波管的研究，利用一三維結(jié)構(gòu)的解析解指由趙和加里10。光譜方法已推廣實(shí)施的卡普芬格等人。11計(jì)算對(duì)軸對(duì)稱傳播模式在一個(gè)圓柱形 氣缸。本數(shù)值例子的固體和流體管的形式給出了色散曲線和粒子取代一發(fā)展概況11。增強(qiáng)的譜有限元公式一在計(jì)算的時(shí)間-舜態(tài)響應(yīng)圓柱波導(dǎo)，考慮到影 響導(dǎo)波衰減是由marza ni 12。一種數(shù)值方法基于混合有限元和有限元技術(shù) 研究引導(dǎo)彈性波傳播的圓柱管局部不均勻性是由周等人。13。本軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱波的反射，透射 一錫安和散射問題分析13。數(shù)

5、值模擬導(dǎo)波傳播的 管狀結(jié)構(gòu)利用半解析有限元法分析 mazuch 14。鐵基的數(shù)值算法計(jì)算波傳播 的彈性波導(dǎo)任意截面，各向異性結(jié)構(gòu)是由damljanovic和weaver 15。姆和羅斯16 使用半有限元分析計(jì)算技術(shù)相速度和衰減頻散曲線，包括軸對(duì)稱彎 曲模式在空心圓柱粘彈性涂料。半解析有限元方法用于分析的粘彈性波的傳播 軸對(duì)稱波導(dǎo)。17。半解析有限元模型提出的林使用分層的元素，這是離散 的厚度方向，因此該方法需要較短的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算記憶18。表達(dá)分布在縱向當(dāng)使用正交函數(shù)允許減少一個(gè)方面的各種棒狀結(jié)構(gòu)，包括板管道材料性能和幾何常數(shù)結(jié)構(gòu)在縱向方向19。因此，以確定其中的導(dǎo)波模式在碳纖維桿， 該模型進(jìn)

6、行了使用半解析有限元方法-1621。聲性能的碳纖維材料（碳纖維和環(huán)氧樹脂）用于該模型已定義的矩陣彈性系數(shù)和，當(dāng)然，各向異性已帳戶。彈性系數(shù)在模擬已如下：E仁142 GPa, E2=10.3 GPa, v12=0.27, v23=0.48,G12=7.2 GPa 22.長(zhǎng)度的碳纖維桿已假定是無限的和周圍介質(zhì)已假定是真空。得到的色散曲線的主要內(nèi)容。一、教育模式在碳纖維桿直徑3毫米的圓弧型圖2所示。因?yàn)樗梢钥吹皆陬l率范圍可達(dá)0.5兆赫，有三個(gè)最低 階傳播模式導(dǎo)波：彎曲的（1 , 1）模式，扭轉(zhuǎn)噸（0,1）和基本縱我（0,1） 模。計(jì)算方式形狀示于圖3。一些技術(shù)應(yīng)用蘭姆波接觸檢查的復(fù)合材料層板分 層

7、式缺陷由富山和takatsubo提出23。本首先是基于到達(dá)時(shí)間的測(cè)量來評(píng) 估大小分層。二、措施的最大振幅的最早的波包在一條線上，包括最長(zhǎng)的分層，找到其優(yōu)勢(shì)。減少振幅已觀察到的位置分層和低幅度一直保持甚至超出觀察到 的位置23。圖2.相速度的導(dǎo)波模式的傳播在一個(gè)圓弧型碳纖維棒 （直徑3毫米），計(jì)算 的半解析有限元方法：1-flexural F （1 , 1 ），2-torsional T （0 , 1 ） 和 3-lo ngitud inal L（0 , 1 ）。a圖3.計(jì)算位移不同的導(dǎo)波模式的一個(gè)圓弧型碳纖維桿：（a）彎曲的（1,1 ）,（b）扭轉(zhuǎn)噸（0,1 ）和（c）縱向我（0,1 ）。22

8、調(diào)查的影響，多個(gè)分層式缺陷對(duì)傳播的導(dǎo)波的有限差分模型應(yīng)用有限差分模型是有吸引力的，像“大尺度”調(diào)查規(guī)模，如波的傳sampleDefectregies nVirtu a ultra sorictrarsmitter播一個(gè)對(duì)象，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)形狀，并進(jìn)一步擴(kuò)展。結(jié)果數(shù)值模擬 利用導(dǎo)波傳播的管狀結(jié)構(gòu)的有限差分技術(shù)的情況下點(diǎn)源的各向異性管 由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體中的軸對(duì)稱的情況下激發(fā)各向同性鋁管由格 塞爾等人。25。導(dǎo)波散射的影響在缺陷區(qū)域鋁管的缺口有限差分方法 是由 Leutenegger and Dual 分析的26。為了研究相互作用的超聲引導(dǎo)波多分層式缺陷（斷除一環(huán)氧樹脂膠）連接在碳纖維

9、桿，利用三維模擬 wave3000pro軟件包進(jìn)行。本wave3000pro 軟件是基于有限差分方法和評(píng)價(jià)的位移向量在每個(gè)離散點(diǎn)所分析的對(duì)象。非接觸無損評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板使用漏蘭姆波是由基文迪和馬丁 24。他們已獲得的蘭姆波在復(fù)合材料的模式，取決于彈性性能的層 壓材料，板厚，纖維取向，上籃，和在場(chǎng)的內(nèi)部間斷。漏蘭姆波已回升， 在沉浸板，一定程度的譜擾動(dòng)而引起的各種類型的缺陷，如分層，孔隙度,厚度，雜質(zhì)和纖維體積變化部分已估計(jì)24的基礎(chǔ)上，有希望進(jìn)行檢測(cè)。得到了基文迪和馬丁 24的相互作用規(guī)律，導(dǎo)波與多個(gè)分層式的缺陷進(jìn) 行調(diào)查使用沉浸技術(shù)，和漏波在缺陷區(qū)應(yīng)分析。最高速度，一個(gè)相對(duì)較小 的

10、分散，一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的傳輸距離由于低泄漏損失的可能性和激發(fā)使用 Iong-itudinal模式超聲換能器連接到邊緣的縱向桿使我（0,1）模式最適合調(diào)查碳纖維桿使用浸泡法。接收器掃描的桿使接漏導(dǎo)波信號(hào)并確定是 否參數(shù)波模式的傳播在桿的影響存在缺陷。圖4.建立的三維數(shù)值模型，研究超聲導(dǎo)波的傳播在一個(gè)有缺陷的碳纖 維桿?？煺疹I(lǐng)域在平面位移量沿桿軸在不同時(shí)間情況介紹圖6。幾個(gè)截面的位移量域，相應(yīng)的無缺陷和有缺陷的地區(qū)并給出了。仿 真結(jié)果表明，在碳纖維復(fù)合材料復(fù)合棒形，縱 L（0,1 ）模式產(chǎn)生有效地在 邊緣型激發(fā)的使用。這種模式傳播沿測(cè)試樣本遠(yuǎn)離激發(fā)區(qū)而產(chǎn)生的漏波10到周圍在這種情況中，如水（圖6 （一）

11、。在前線邊緣的缺陷區(qū)域，變換WaterVirtual ultrasonicreceiversV*Adarniridtion regiar (tzir gsps) 1L J1-r -:A AL：iDelamination reg-on1:Lui/t * /卜二-1C-C =iU的L （0,1 ）引導(dǎo)波模式發(fā)生。在這方面，超聲波傳播碳纖維布層數(shù)沿泄露 地區(qū)無泄漏水（圖6（a）。背后的缺陷，也非一有缺陷的區(qū)域的測(cè)試樣品 的導(dǎo)波我L （0,1。傳播模式，又使輻射較弱的漏波10到周圍的液體（圖6（d）。重建超聲圖像（圖7）,從模擬信號(hào)，有較強(qiáng)的幅度減少漏波的缺 陷，和有缺陷的區(qū)域碳纖維測(cè)試樣品是清楚地看

12、到。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果導(dǎo)波減少 幅度超過缺陷的復(fù)合板沖擊損傷是由克等人。29和富山和 takatsubo 23 。譚等。30提出的幾點(diǎn)說明關(guān)于減少幅度超過普通的 分層型缺損，如波分離，模式轉(zhuǎn)換波在分層散射邊緣。不過，在上述描述 結(jié)果23,29,30有沒有翔實(shí)的分析程序一提供了關(guān)于導(dǎo)波與分層型缺陷。 為了評(píng)估的影響，介質(zhì)的打算分層差距（空氣或水滲入），在漏波抑制，比較模擬已完成。設(shè)置的模擬是相同的如前所述，除了總長(zhǎng)度的分層堆沿 軸是4072.5毫米?？煺疹I(lǐng)域在平面位移量沿一軸圓弧型碳纖維桿，在這兩 種情況下獲得空氣和水入口內(nèi)的差距多分層，示于圖8。漏波已抑制的情況下分層差距空氣包裹體。圖6。數(shù)值模擬位移

13、幅度域（三維情況下。在不同時(shí)間的一個(gè)圓弧型碳纖 維桿，在是漏波，產(chǎn)生的直接縱向 L （0 ,1。模式：（a） 4毫秒（前面的缺 陷），（b） 8ms （互動(dòng)的缺陷）和（c） 13ms （背后的缺陷）。在模擬中，不同類型的配置安排的分層串在對(duì)缺陷區(qū)的碳纖維桿進(jìn)行 了調(diào)查：兩個(gè)半矩形和傾斜（圖9）。抑制漏波5.7分貝的情況發(fā)生兩個(gè)半 矩形剖面分層堆裝滿水（圖10）。抑制漏波7.3分貝的情況發(fā)生傾斜剖面分 層堆裝滿水（圖10）。較高的抑制漏波28.4分貝發(fā)生在兩種情況下傾斜和 兩個(gè)半矩形剖面分層束與空氣夾雜只有（圖10）。預(yù)計(jì)在練習(xí)，在浸泡試驗(yàn)，這是更可能找到分層差距空氣夾雜，作為應(yīng)力力的水不夠高，

14、深入差A(yù)rbitrary- unitsbGObU1030距多分層等小尺寸。相互作用的直接縱向 L （0,1 ）導(dǎo)波模式邊緣的傾斜剖 面分層堆（圖9）提供增加的影響幅度散漏波外樣（圖10）。這種效應(yīng)發(fā)生 是由干擾的多重散射波的邊緣的每一組碳纖維剝離而來。散射現(xiàn)象和多重 反射波是由羅赫林，benmeddour等人從一個(gè)普通的生產(chǎn)型缺陷和缺口發(fā)現(xiàn) 的。共振現(xiàn)象的蘭姆波分散在一個(gè)有限的裂紋，平行于表面，在一個(gè)彈性 層已被調(diào)查提議。圖7.數(shù)值模擬超聲圖像的缺陷，圓弧型碳纖維桿相互作用的直接縱向L（0 , 1）導(dǎo)波模式邊緣的傾斜剖面分層堆（圖9） 提供增加的影響幅度散漏波外樣（圖10）。這種效應(yīng)發(fā)生由于干

15、擾的多次散 射波的邊緣的每一組碳纖維剝離。散射現(xiàn)象和多重反射波從一個(gè)普通的生產(chǎn) 型缺陷和缺口是由羅赫林，benmeddour等人，NIIT公司等。與林和川島18,31 -33進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)。圖8.數(shù)值模擬位移動(dòng)幅度域（二維的情況，例如21.3毫秒）的情況下, 不同介質(zhì)填充到多個(gè)分層區(qū)的一個(gè)圓弧型碳纖維桿， L0是漏波，產(chǎn)生的 直接縱向L0（ 0 , 1）模式：（a）分層填充的空氣夾雜和（b）分層填充由 水滲入到棒的體積。圖9.簡(jiǎn)介安排多個(gè)分層束在有缺陷的碳纖維桿：（a）和（b）兩個(gè)半矩形 輪廓斜剖面。共振現(xiàn)象的蘭姆波分散在一個(gè)有限的裂紋，平行于表面，在一個(gè)彈性 層已經(jīng)研究了由羅赫林31。該方法的

16、多個(gè)衍射在邊緣的裂縫已提出了 在該地區(qū)的裂縫，2機(jī)制已發(fā)現(xiàn)提供的效果干擾：輻射的聲波能量區(qū)域以 外的裂縫和轉(zhuǎn)化成I Resulfcf scattered waves interference0.807.06 n c 0.5 n040 30.20.1050100z, mm圖10歸一化echodynamic曲線漏波沿軸掃描：一束多分層斜剖面和空氣包 裹只有（a），和充分的水滲入到棒體積（b），一束多分層與兩個(gè)半矩形剖面和 空氣夾雜只有（c）和充分的水滲入到桿體（d）。其他重新反射波反射模式輻射從對(duì)面邊緣的裂縫31 obenmeddoui等人。32觀察多思考的邊緣對(duì)稱缺口深度不同鋁板。NIIT公司等

17、。33，同時(shí)使用模擬和實(shí)驗(yàn)，研究了相互作用的超聲導(dǎo)波模式L0對(duì)稱分層式缺陷在各向同性層狀復(fù)合板。它已經(jīng)建立在脫層區(qū)域，模式轉(zhuǎn)換，模式和多個(gè)反射發(fā)生33。林和川島18 已經(jīng)確定，在復(fù)合板，多思考發(fā)生在出口的分層。有人建議， 時(shí)間間隔收到的多個(gè)反射信號(hào)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度和分層18 o三維聲學(xué)模型的一個(gè)碳纖維桿是由使用有限元代碼。分析執(zhí)行已被用來產(chǎn)生幾何，齒合的完全參數(shù)化模型和解決問題。該模型是齒合的10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)的固體成分SOLID 92。該元素是定義十個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度的每一node-translations在模型x,y,z的方向上。該元件的輸入數(shù)據(jù)包括正交異性材料性能35。元素的大小是0.15毫米

18、。該模型的無約束的碳纖維桿直徑3毫米和50毫米長(zhǎng)度已被提出。該模型具有不規(guī)則網(wǎng)格，數(shù)元素是 850617,節(jié)點(diǎn) 的數(shù)量為1186110和自由度的數(shù)目是3558330。在了解相互作用的超聲導(dǎo)波分層 型缺損，如一束多層碳纖維，缺陷已仿照只有一部分的碳纖維桿分層，即纖維 和環(huán)氧樹脂具有相同的正交異性材料性能作為一個(gè)無缺陷的碳纖維桿。該區(qū)有明顯的小直徑（0.2毫米）比無缺陷的部分是牢固地連接到邊緣的桿。長(zhǎng)度的 分層部分碳纖維纖維規(guī)定為30毫米。執(zhí)行模型的一個(gè)完整的缺陷區(qū)的三維有限元代碼，可以代表一組束無粘結(jié)纖維，幾乎是不可能的，由于有限的計(jì)算機(jī)資 源。因此，任務(wù)模擬簡(jiǎn)化幾何模型的開發(fā)是在圖。11。Ex

19、citation position and direction3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證漏波抑制缺陷區(qū)域與多分層這一部分的目的是為了驗(yàn)證模型的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，得到利用有限差分和有限元模型。浸泡實(shí)驗(yàn)裝置是在圖13（a）。B超（獲得沿軸的碳纖維桿）和C掃描圖像注冊(cè)漏波在有缺陷的碳纖 維桿與人工缺陷提出在圖13 （乙）和（丙）。結(jié)果表明，漏波存在由于在 水中傳播的直接縱向L0（0 , 1）模沿纖維的碳纖維桿。在有缺陷的地區(qū)， 在相同的方式漏波是完全壓制，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了 ，所以利用數(shù)值模擬。在 B超圖像，反射波年底的碳纖維桿和傳播在落后的方向上還可以看到。圖11.簡(jiǎn)化的幾何形狀的分層式缺損有限元模型lltfrason

20、icftMdrE=triemsystamComputer for曰 jicqui$ilbrn Mid pfDCtiSlOgCFftPnri .圖13。碳纖維棒檢查使用浸泡技術(shù)和導(dǎo)波:a）（b） B超圖像和（c）掃描圖像。實(shí)驗(yàn)裝置登記的漏波,，.丹卩 LrSk wSvr -,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)波可用于檢測(cè)小直徑的碳纖維增強(qiáng)塑 料棒 用于制造縱梁加強(qiáng)輕型滑翔機(jī)。提出了用浸泡法的基礎(chǔ)上激發(fā)的縱向 L0（0,1 ）導(dǎo)波模式和監(jiān)測(cè)振幅的漏波波導(dǎo)。在場(chǎng)的分層式缺陷可檢測(cè)是 必不可少的，漏波在缺陷區(qū)幅度會(huì)減少或完全消失的結(jié)果表明，分層式的缺陷是超聲導(dǎo)波傳播沒有障礙和L0（0,1 ）導(dǎo)波模式，而是將其轉(zhuǎn)化為模式，不會(huì)產(chǎn)生漏波。由于這一事實(shí)不是只有單一的 缺陷，但即使有缺陷也可以被檢測(cè)到。5未來的工作在實(shí)踐中，為有效實(shí)施該技術(shù)在線測(cè)試碳纖維桿，例如，在制造過程中， 應(yīng)當(dāng)采用更先進(jìn)的超聲波技術(shù)的非接觸式發(fā)電的Iong-itudinalL0（0 , 1）導(dǎo)波模式。為此，超聲波探頭，組裝成車輪接觸式的代導(dǎo)波通過表面的棒，Receiver 400 kHz$Cnnvng diWlkHn他kHzScsrnmq nd positioning20018016D140120100