[发明专利]一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法

摘要

一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法，属于无损检测技术领域。该方法采用一套包含超声波探伤仪、直接接触式平探头及计算机的孔隙率检测系统；由待测CFRP牌号获取材料参数，基于随机介质理论和数字图像处理技术建立具有复杂孔隙形貌特征和材料属性的真实形貌孔隙模型，并借助时域有限差分软件仿真计算建立孔隙率P与超声衰减系数αsim之间联系，线性拟合得到P‑αsim关系式；依据超声C‑scan结果选取待检测区域，采用接触式脉冲反射法对所选区域进行多点采集，实验计算αexp和与孔隙形貌特征有关的衰减谱斜率K；由P‑αsim关系式及K值，实现CFRP孔隙率表征；该方法在考虑孔隙形貌特征的基础上实现CFRP孔隙率表征。

主权项

1.一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法，其特征是：该方法采用一套包含超声波探伤仪、直接接触式平探头及计算机的孔隙率检测系统，基于随机介质理论和数字图像处理技术建立具有复杂孔隙形貌特征和材料属性的真实形貌孔隙模型；使用时域有限差分软件仿真计算建立孔隙率P与超声衰减系数αsim之间的定量关系；实验计算αexp和与孔隙形貌特征有关的衰减谱斜率K；根据P‑αsim关系式和K值，实现该区域的孔隙率表征；具体计算步骤如下：(1)待测CFRP基本参数获取根据待测CFRP的牌号，获取其纤维含量、弹性模量和密度，基于弹性模量，推算出待测CFRP的纵、横波声速；(2)真实形貌孔隙模型建立基于金相法得到CFRP样品的显微照片，使用中值滤波法对该照片进行平滑处理，消除图像中灰度级发生突变的伪孔隙区域，进而对该照片进行二值化处理，即提取孔隙形貌特征；根据像素灰度级分别赋予孔隙和基体不同的材料属性，从而得到真实形貌孔隙模型；利用数据处理软件对超声信号进行快速傅里叶变换得到一次底面回波的幅度谱|F1(f)|和二次底面回波的幅度谱|F2(f)|，由式(1)得衰减谱α(f)，衰减谱中有效频带内线性区域的斜率即衰减谱斜率K，其定义式为K＝dα/df；由K值定义式知，其与底面回波频谱主频率的偏移及峰值变化均有关，受孔隙形貌的影响较为显著；研究表明，相同超声衰减系数α下，K越大，模型中孔隙尺寸和位置分布越均匀；根据上述规律，在建立的一批真实形貌孔隙模型中选取孔隙尺寸和位置分布较为均匀的模型作为待测CFRP的仿真计算模型；(3)仿真计算模型设置借助时域有限差分软件对已建立的模型进行仿真计算；仿真计算时使用的几何模型由两侧加宽的真实形貌孔隙模型及其上部水层组成；几何模型中CFRP基体的材料属性设置依据步骤(1)中获取的基本参数，考虑到CFRP基体存在吸收衰减，故应根据需要设置黏滞系数η；孔隙设置为20℃的干燥空气，水层设置为20℃的纯水；几何模型的上边界设置为无限吸收边界，下边界设置为自由边界，左右边界均设置为纵/横向固定边界；将探头置于几何模型的上部，采用自发自收模式，根据钢的一次底面回波，推算出仿真计算所用输入信号的主频，并基于入射波参数高斯反演法得到输入信号的其他参数；依据需求设置时间步长标度、解析波长、模拟时间等工作参数；(4)仿真计算数据处理基于仿真结果，计算一次底面回波和二次底面回波的超声衰减系数αsim，计算公式如式(2)所示，式中，d为真实形貌孔隙模型的厚度，A一次底、A二次底分别为一次底面回波和二次底面回波的幅值，R为水层和CFRP上表面之间的反射系数；待测CFRP的真实形貌孔隙模型建立时已知该模型的孔隙率P，则建立P与αsim之间的联系，并进行线性拟合；拟合线的截距表示被测材料的基体衰减系数α0值，故拟合线表达式为αsim＝aP+α0；(5)待测CFRP超声信号采集利用超声C扫描系统对待测CFRP进行预扫查，选取待测CFRP的C‑scan图像中颜色分布较为均匀的区域为待检测区域；测量待检测区域厚度，并采用接触式脉冲反射法对所选区域进行数据采集；考虑到待检测区域内孔隙形貌存在差异，每个待检测区域内采集5个不同位置采样点的超声信号；(6)待测CFRP孔隙率表征基于待测CFRP实验采集的数据，计算一次底面回波和二次底面回波的超声衰减系数αexp(计算公式如式(3)所示)和衰减谱斜率K，式中，d为待测CFRP厚度，A一次底、A二次底分别为一次底面回波和二次底面回波的幅值；根据αsim＝aP+α0，由αexp推算P值；针对每个待检测区域而言，由于孔隙形貌的随机性和复杂性导致该区域不同采样点之间的超声衰减系数值存在差异，为了保障孔隙率检测结果的有效性，选取该区域中超声衰减系数相近的采样点，认为其中K值最大的采样点处孔隙尺寸和位置分布最为均匀，将该采样点的P值作为该区域的孔隙率值。