[发明专利]一种纤维增强树脂基复合材料R区超声检测模型建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维增强树脂基(Fiber Reinforced Plastic,FRP)复合材料R区超声检测模型建立方法，属于复合材料超声检测技术领域。

背景技术

FRP复合材料以其优异的力学性能和显著的减重效果，已在航空航天领域得到广泛应用。为获得最优结构效率、气动弹性和强度等综合性能，FRP复合材料构件普遍具有复杂几何形状，出现大量拐角区域(R区)，致使超声检测声束难于垂直工件表面入射。此外，高强碳纤维取向性排布，致使FRP复合材料弹性各向异性显著，铺层界面声阻抗失配。因此，超声波传播路径会发生偏折，结构噪声明显，影响缺陷的检出及定量。声学建模仿真为描述FRP复合材料R区声传播行为提供了新的思路，借助其开展声传播路径及声场特征分析，能够为超声检测工艺的验证与优化提供有效指导。

国内外已经开始相关研究。法国原子能委员会以层序作为最小建模单元，将多层、复相结构等效为单一的均质各向异性介质，忽略了层间界面反射对声传播的影响；针对R区纤维取向随曲面形状连续变化所致弹性特性空间分布变化，他们还提出了弹性刚度矩阵旋转变换的描述策略。国内徐娜等人将CFRP复合材料R区整体作为各向同性介质处理，仅考虑曲面形状对超声传播的影响。然而，同时考虑R区曲面形状、多层结构及弹性各向异性的超声检测模型尚未见报道。因此，开展FRP复合材料R区超声检测模型研究，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提出一种FRP复合材料R区超声检测模型建立方法。利用该模型可开展FRP复合材料R区超声波传播行为及超声检测工艺优化研究，从而为工程实际中FRP复合材料R区超声检测提供参考。

本发明采用的技术方案是：一种纤维增强树脂基复合材料R区超声检测模型建立方法，其特征在于：利用刚度矩阵表征FRP复合材料铺层纤维、树脂对应复相结构的弹性特性，并通过弹性刚度矩阵旋转变换，实现了R区弹性特性空间分布随铺层铺放顺序及曲面形状连续变化的定量描述，包括以下步骤：

(1)测量FRP复合材料R区试样的几何尺寸和材料属性：测量R区内侧曲率半径R₀、圆心角θ、厚度及轴向长度；利用阿基米德排水法测量FRP复合材料试样的密度；利用金相法观察R区单铺层厚度t、铺层总数N及纤维铺放顺序α_i(i＝1,2,…,N)。其中，纤维取向以铺放平面内纤维排布方向与金相观察平面的夹角α_i(i＝1,2,…,N)表示；

(2)弹性刚度矩阵测试：取与FRP复合材料R区试样的材料、热压固化工艺相同的单向板试样，利用背反射法测试其不同方向上的声速，并基于Christoffel方程反演计算得到弹性刚度矩阵C_ref值；

(3)建立FRP复合材料R区试样的全局右手笛卡尔坐标系：以R区曲率圆心为坐标原点，R区轴向为X₂轴；在以X₂轴为法向的平面内，R区对称轴为X₃轴，与X₃轴垂直的方向为X₁轴；铺放顺序以各铺层与X₃轴相交位置处纤维方向与X₁轴的夹角α_i表示，并定义逆X₃轴正向、逆时针方向为正铺向角；

(4)建立FRP复合材料R区试样的极坐标系：以R区曲率圆心为极点，水平方向为极轴，即步骤(3)中X₁轴，则R区任意点坐标位置可表示为(r,β)，其中R₀≤r≤R₀+t×N且-(180+θ)/2≤β≤-(180-θ)/2；

(5)建立R区(r,β)点处的局部右手笛卡尔坐标系：以(r,β)点为坐标原点，径向为x₃’轴，纤维方向为x₁’轴，x₁’-x₃’平面法向为x₂’轴，则(r,β)点弹性刚度矩阵在对应局部笛卡尔坐标系中的值即为C_ref；而其在全局笛卡尔坐标系O-X₁X₂X₃中的值C(r,β)可由C_ref旋转变换得到；具体步骤如下：

1)确定(r,β)点所在铺层铺向角α_i，i可由下式计算得到：

i＝ceil[(r-R₀)/t] (1)