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摘要

碳纤维增强复合材料在制造和使用过程中会产生褶皱, 褶皱缺陷的存在使得纤维层起伏不平, 超声波传播至纤维界面时不同声束方向的声能量存在差异. 针对此问题, 提出一种基于声束指向性函数校正的全聚焦阵列成像方法: 制备了含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样, 建立超声阵列数据采集实验系统, 捕获全矩阵数据; 考虑超声发射/接收阵元不同声束方向的声能量差异, 提出全聚焦成像方法的校正模型; 将校正前后的全聚焦成像结果与试样的实物图和光学显微镜图像进行对比分析. 实验结果表明: 基于指向性函数校正的全聚焦成像方法能够有效降低背景噪声, 恢复出被检试样的褶皱缺陷和铺层结构等细节信息, 为碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的精确表征提供了理论指导.

关键词:

Abstract

Carbon-fiber-reinforced-polymer (CFRP) composites are widely used in aerospace, automobile and other industries because of their excellent performances. However, wrinkles will be formed during the manufacturing and service life process of composites, which is detrimental to the fatigue limit and tensile strength. Due to the fiber waviness, the presence of such defects leads to the acoustic energy difference in different beam directions during ultrasonic nondestructive testing. The directly obtained imaging amplitude cannot characterize the wrinkle properly. In order to solve this problem, the total focusing method (TFM) imaging combing the acoustic beam directivity function correction is presented. Firstly, the longitudinal wave signal is excited by an ultrasonic phased array, from which the echo data is collected by full matrix capture (FMC) in both the healthy and defected samples prepared. Then, considering the difference in acoustic energy from different beam directions of each ultrasonic transmitting/receiving array element, a correction TFM is proposed. Finally, the echo signals are post processed while the results are compared with the optical images. No wrinkle information can be indicated from the direct TFM imaging. In contrast, the wrinkles and layer-up information can be recovered from the corrected TFM imaging with an improved signal-to-noise ratio and resolution. Furthermore, owing to the directivity function, the near-surface noise can be effectively reduced and the near-surface fibrous layer information is restored. This method paves the way for the accurate, quantitative and rapid characterizing of wrinkles in real CFRP structures.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.
3.

通信作者:张海燕,hyzh@shu.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 11874255, 11904223)资助的课题

Authors and contacts

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3.

Corresponding author:Zhang Hai-Yan,hyzh@shu.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11874255, 11904223)

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参考文献

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施引文献

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参数	值	参数	值
阵元个数	32	阵元宽度/mm	0.9
阵元中心距/mm	1.0	采样频率/MHz	50
中心频率/MHz	5	激励方式	纵波

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玻璃纤维	实际位置/mm	成像位置/mm	误差/%
第一层底部	6.0	5.95	0.83
第二层底部	9.0	8.85	1.60
第三层底部	11.5	11.45	0.04
第四层底部	14.5	14.15	2.40
第五层底部	18.0	17.55	2.50

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