[发明专利]一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统

说明书

本发明提供一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统，该方法包括：步骤1：基于递归刚度矩阵法对声波在复合材料层合板周期性铺层中的传播过程进行解析建模；步骤2：通过弗洛凯波理论对复合材料层合板的周期性铺层单元进行动态均质化建模，得出不同铺层方向的复合材料层合板对应的可均质化范围；步骤3：根据均质各向异性材料中波矢的频散效应求出准纵波的能量传播速度；步骤4：利用非均质各向异性复合材料在可动态均质化范围内的能量传播速度进行波达时间修正，从而对各种铺层方向的复合材料层合板进行超声全聚焦缺陷成像检测。本发明通过解决复合材料铺层结构和激励信号中心频率引起的不同传播方向的声速差异导致的时间补偿问题，实现非均质各向异性复合材料的可视化成像。

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统。

背景技术

复合材料具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好、疲劳耐久性优异、可设计性强以及可大规模整体成型等优点，已广泛应用于航空航天、汽车、海洋和生物医学等领域。由于越来越多的被应用于主承载结构中，复合材料的厚度也在不断增大，导致其在制造和服役期间产生基体开裂、纤维断裂、界面脱粘和分层等缺陷的概率增大。针对材料内部缺陷的无损检测方法包括X射线、电子计算机断层扫描(CT)、电涡流、热成像、超声等，其中超声检测由于具有成本低、安全无辐射、检测方便等特点得到了广泛的应用。超声无损检测通过在材料内部产生超声脉冲，分析声波反射或透射信号得到缺陷信息，也可通过线阵或面阵探头采集全矩阵数据，结合全聚焦算法对缺陷进行可视化成像。

现有的全聚焦成像算法能够很好的对各向同性材料进行缺陷检测，而对于非均质各向异性的复合材料，运用全聚焦算法进行缺陷成像需要修正声波沿不同方向传播的波速差异引起的波达时间差异。

发明内容

本发明提供了一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法，包括依次执行以下步骤：

步骤1：基于递归刚度矩阵法对声波在复合材料层合板周期性铺层中的传播过程进行解析建模；

步骤2：通过弗洛凯波理论对复合材料层合板的周期性铺层单元进行动态均质化建模，得出不同铺层方向的复合材料层合板对应的可均质化范围；

步骤3：根据均质各向异性材料中波矢的频散效应求出准纵波的能量传播速度；

步骤4：利用非均质各向异性复合材料在可动态均质化范围内的能量传播速度进行波达时间修正，从而对各种铺层方向的复合材料层合板进行超声全聚焦缺陷成像检测。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，对于任意铺层的复合材料层合板结构，根据材料参数以及铺层信息得到最小周期单元的全局刚度矩阵，具体如下：

如图1所示，将复合材料层合板第j层单元的位移矢量u_j和牵引矢量σ_j表示为层内六个分波的合成：

其中，a表示幅值，n＝1,2,3表示分波，±表示沿厚度方向z轴的正负方向，表示极化矢量，表示波数，ω表示频率；定义矢量d^±n与波数和极化矢量有关：其分量其中c_ijlm(i,j,l,m＝1,2,3)是刚度系数的张量表示；

第j层上下表面的位移-牵引力关系式为：

其中P^±(3×3)＝[p^±1,p^±2,p^±3]，D^±(3×3)＝[d^±1,d^±2,d^±3]，h_j是单层厚度；第j层刚度矩阵K^j为：