[发明专利]复合结构的无损检查和性能预测方法、超声波成像系统及校准方法

说明书

提供了用于复合结构的无损检查和性能预测的方法、超声波成像系统及用于校准超声波检查系统的方法。根据一些实施例，该方法结合了B型扫描超声波数据的使用、褶皱和横截面的几何形状的自动光学测量、以及带有褶皱的复合结构的有限元分析，以提供评估检测到的褶皱相对于结构的预期性能的实际意义的能力。所公开的方法使用超声波检查系统，已经通过使从参考标准获得的超声波B扫描数据与那些参考标准的光学横截面(例如显微照片)的测量结果互相关联来校准超声波检查系统。

技术领域

本发明总体上涉及结构或零件的无损检查，并且更特别地涉及用于表征或评估层状结构(例如复合结构或类似结构)中的异常(例如褶皱)的系统和方法。

背景技术

在用于商用飞机及其他宇航飞行器的航空航天工业中，以及在其他工业中，正在更广泛地使用新的、重量轻的复合材料和设计。可使用多片或多层纤维增强塑料材料来形成使用这些复合材料的结构，该多片或多层纤维增强塑料材料可层压在一起以形成重量轻的、高强度的结构。用于航空航天应用的复合层状结构的制造会产生不想要的层的离面起皱(out-of-plane wrinkling)，这会基于褶皱的尺寸而影响结构的性能。复合结构中的褶皱和修复会使其性能变差。用于诸如飞机制造工业的工业中的生产零件的质量保证和认证要求所构造的零件符合某些设计标准和规格。对于部分零件，可能存在基于褶皱尺寸的标准验收准则。因此，希望能够精确地检查并测量结构或零件中的任何褶皱的尺寸。

复合结构的表面的肉眼检查可识别褶皱，但是无法测量或表征该褶皱。由于此无法量化褶皱的特征，所以为慎重起见可假设最差的情况，除非可提供用于测量褶皱的尺寸(通常按照长度L除以高度D)的装置。而且，根本无法从表面用肉眼看到结构中更深的褶皱。

可使用超声波检查技术来识别表面下褶皱。然而，通常通过以下方式来量化用超声波检测到的褶皱：破坏性地切开并抛光复合材料，使用显微镜来捕获复合材料的横截面的图像(即，显微照片)，并且检查在褶皱位置处收集到的显微照片。这导致可能并非必要的耗时且昂贵的工作。例如，在项目的零件开发活动(预生产制造和预生产验证)的过程中，进行许多非常昂贵的切碎、抛光和褶皱测量。

需要有用于无损地表征复合材料中的褶皱且然后使用自动结构分析来确定检测到的特征相对于预期性能的意义的方法。

发明内容

本文公开的主题涉及在制造或修复过程中对带有褶皱的复合结构提供褶皱表征和性能预测的方法。更具体地，公开了用于无损地表征复合材料中的褶皱且然后使用自动结构分析来确定检测到的特征相对于预期性能的意义的方法。

根据一些实施例，该方法结合了B型扫描超声波数据的使用、褶皱和横截面的几何形状的自动光学测量、以及带有褶皱的复合结构的有限元分析(FEA)，以提供评估检测到的褶皱相对于结构的预期性能的实际意义的能力。结果是，在许多情况中节约了切开或修复的时间和成本，并基于工程数据确认了结构的使用或修复。

根据一个实施例，一种用于表征复合结构中的褶皱且然后基于那些褶皱表征来预测带有褶皱的复合结构的性能的方法使用超声波检查系统，通过使超声波B型扫描数据与参考标准的光学横截面(例如显微照片)的测量结果互相关联来校准该超声波检查系统。这具有这样的好处：从在生产中或在使用中的原始的或修复的复合结构(即，非参考标准)收集的超声波B型扫描数据可用来表征复合结构中的褶皱，不用必须破坏该复合结构以获得光学横截面。换句话说，可从B型扫描的结果中推断出可从光学横截面获得的褶皱表征，不用切割所检查的零件以获得光学横截面。更具体地，由于使B型扫描数据与光学横截面测量数据互相关联的预校准过程的原因，B型扫描数据可转换成褶皱轮廓表征，不用必须进行光学横截面测量。