復合材料由于其高的比強度、比模量以及良好的抗疲勞性和成型工藝性而在航空制造業中獲得大量應用, 由于纖維增強復合材料具有導電性差、熱導率低、聲衰減高等特點, 在力學和物理性能方面呈顯著的各向異性, 因此準確預測復合材料性能就顯得非常關鍵。目前對于復合材料的破壞機理還不是十分清楚, 影響材料狀態的變化因素較多(承載、溫濕度、外部損傷、疲勞) , 大部分材料的性能需要通過破壞性試驗才能獲得。

    關于金屬材料部分性能的無損表征技術, 國內外已經開展了大量的研究工作, 而復合材料由于受到其中碳纖維束聲波散射、碳纖維與樹脂固化界面聲波散射、吸收聲波振動等因素影響, 超聲波穿過材料時, 基體噪聲高, 高頻段信噪比低, 無損檢測材料內部缺陷的分辨力和靈敏度較低, 使得用超聲波無損表征復合材料難度增大。即便如此, 無損表征技術對于成型后的復合材料結構件強度分析, 仍具有十分重要的意義。

   1　超聲波檢測

    超聲波檢測是一項利用超聲波在材料中傳播時所發生的反射、透射和散射現象, 對試件進行宏觀缺陷、幾何特征、組織結構和力學性能檢測的技術。

    從材料中存在的缺陷類型來看, 對復合材料構件強度的影響較為明顯, 并且在制造工藝和使用過程中較易出現的主要缺陷是內部材料的分層、氣孔、疏松、層間裂紋和越層裂紋等。需要特別指出的是, 局部的裂紋、分層和較大的氣孔意味著嚴重的局部損傷, 而氣孔含量和層間剪切強度之間的典型關系說明, 強度會隨著氣孔含量的增加而迅速下降。

    目前對航空復合材料結構件的超聲波檢測方法,主要包括接觸法、延遲法和水浸法, 無論采用哪種檢測方法, 判定材料中是否存在缺陷的主要依據仍是缺陷反射波的幅度和時間位置(時域波形分析法)。隨著超聲波檢測技術的發展, 出現了可用于材料微組織性能檢測的超聲頻譜分析方法, 其典型的應用就是分析由氣孔引起的超聲波衰減同材料層間剪切強度的關系。

    2　超聲波信號數字處理

   信號處理和數據分析方法是超聲波無損檢測技術常用的有效方法。信號處理和數據分析的目的是通過增強接受信號中某些特征, 從而取出對檢測目的有用

    2.3　MATLAB 函數

    使用MA TLAB 中的函數庫, 可完成波形處理、互相關系數計算、功率譜密度計算等工作。

    在MA TLAB 的函數中, 功率譜估計函數(Spect rum ) 是一個相當重要的函數, 通過選擇不同的去趨勢方式、加窗方法和置信區間, 用W elch 平均周期圖法進行功率譜估計。在本次研究過程中, 選擇的輸入

參數如下:

    W elch 分段長度: 256; 相鄰兩段重疊點數: 128; 置信區間: 95%; 窗函數: Hann ing。將來可以根據性能的表征效果, 結合各種輸入參數對計算結果的影響, 反演計算的合理性, 以達到更準確的效果。

    3　檢測實例與表征分析

    無損表征的作用就是為材料性能的估計提供數據。為了驗證無損表征的可行性, 進行了3mm 碳纖維層板試樣的層剪強度試驗, 試驗前選點采集、存儲了部分試樣的波形, 結合層剪強度試驗數據進行分析。

 

    3.1　時域分析

    超聲波波形特征與各層剪強度的數據對比如圖2所示。通過試驗數據與超聲波的波形比較表明, 材料中存在的缺陷或是材料物理尺寸的變化, 對材料的性能影響很大, 同時我們得知, 對超聲波的波形分析可以預測材料的部分性能變化趨勢, 這一結論為材料剩余強度和使用壽命的估算提供了參考依據。

   3.2　頻域分析

   通過對波形數據的頻域分析, 可以更深入地進行無損表征研究工作。由于數據多, 逐一進行分析和對比的工作量巨大, 尋找其中的規律比較困難, 采用了M at lab 數學處理軟件進行了頻域分析, 主要內容如下:

(1) 將波形文件轉換成M at lab 專用的數據文件, 同時刪除界面波信號和底面波之后的信號, 提高數據的真實性和準確性;