一種鋼-玻璃鋼復合板材脫粘超聲導波評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用大功率超聲導波檢測系統(tǒng)實現(xiàn)超聲導波對鋼-玻璃鋼復合板材 結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的有效檢測與評價，是屬于超聲無損檢測范圍的一種新的復合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量 檢測評價方法，具體涉及的是一種鋼-玻璃鋼復合板材脫粘超聲導波評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天領(lǐng)域中，粘接結(jié)構(gòu)因其比強度、比模量高、抗疲勞強、造價低、減震及其 他顯著的優(yōu)勢得到越來越廣泛的應用。作為金屬-非金屬粘接結(jié)構(gòu)代表之一的鋼-玻璃鋼 粘接結(jié)構(gòu)，由于在粘接過程中由于粘接工藝和在役損傷等許多實際原因在其粘接界面經(jīng)常 會出現(xiàn)分層、脫粘、強度弱化等缺陷，嚴重影響粘接結(jié)構(gòu)的完整性，在使用過程中可能造成 災難性的后果。比如在粘接工藝之前未對粘接界面進行清洗，粘接劑涂抹不均勻或未采用 合適的固化工藝等都會導致粘接界面脫粘或弱粘接，且使用環(huán)境和殘余應力也會影響粘接 結(jié)構(gòu)的使用效果。因此，對粘接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測與評價對于保證粘接結(jié)構(gòu)的有效性和可靠 性具有重大的實際意義。
[0003] 目前常用于檢測粘接結(jié)構(gòu)的無損檢測方法有：超聲檢測、紅外熱成像、射線照相法 以及滲透法。紅外熱成像法雖然具有圖像顯示直觀、非接觸、檢測精度高、應用范圍廣等優(yōu) 點，但由于應用成本高，對溫度等外界環(huán)境因素較敏感，所以在實際應用中受到嚴格的環(huán)境 因素的限制；射線照相法是指利用X射線和r射線穿透試件，以膠片記錄結(jié)構(gòu)信息。射線 在穿透過物體時會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其發(fā)生不同程度的衰減。通過 觀察底片圖像的黑度差異來判斷結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量。它的優(yōu)點是用底片記錄介質(zhì)信息，可直 接得到缺陷的直觀圖像、而且可以長期保存。通過觀察底片就能夠比較準確地判斷出缺陷 的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置等信息。但是它不能檢出垂直照射方向的薄層缺陷，比如鋼板的 分層，且對充氣缺陷不敏感。相比于超聲法，檢測成本較高，檢測速度緩慢，且對人體有傷 害，需要采取防護措施，所以射線法的應用受到了限制；滲透法是用于檢測試件表面缺陷的 方法。它的優(yōu)點是可以同時顯示種種表面缺陷，檢測的效果直觀。但這種方法只能用于檢 測開口暴露在工件表面的缺陷，不能檢測內(nèi)部隱藏缺陷。相比上述幾種無損檢測方法，超聲 檢測法因其設(shè)備輕便、檢測成本低、速度快、穿透能力強、缺陷定位準確、靈敏度高、對人體 及環(huán)境無害、被檢對象范圍廣及現(xiàn)場使用較方便等優(yōu)勢，而得到了廣泛的應用。本次研究首 次提出采用超聲導波檢測技術(shù)對鋼-玻璃鋼粘接結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量進行檢測與評價。
[0004] 目前常用于檢測粘接結(jié)構(gòu)的超聲檢測方法主要有脈沖回波法、斜入射法、超聲相 控陣法、聲-超聲法、超聲導波法。其中超聲導波法因其顯著的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應用。超聲 導波的理論最初于20世紀50年代出現(xiàn)。對超聲導波的研究按照傳播介質(zhì)分類可以分為板 型介質(zhì)中的Lamb波、SH波傳播特性的研究以及空心圓柱體中的多模態(tài)導波的研究。超聲 導波是由于超聲波在波導內(nèi)部的不連續(xù)交界面間經(jīng)過多次反射、干涉后發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn) 生的，其中，板狀波導中的導波可分為Lamb波和SH波；導波的最顯著的特性就是頻散和多 模態(tài)；頻散特性能夠反映介質(zhì)的幾何參數(shù)和物理參數(shù)的變化，所以通過研究超聲導波的頻 散特性就能夠?qū)Σ▽У牟牧线M行檢測和評價。在應用方面，美國賓西法尼州立大學的J. L. Rose教授早在上個世紀末就已經(jīng)編著了關(guān)于固體中的超聲波的專著。國內(nèi)在這方面的研究 也有一些進展。第二炮兵工程學院的艾春安和高利榮等在利用超聲導波檢測固體火箭發(fā)動 機的殼體時，求解了導波在殼體內(nèi)傳播時的頻散方程，并通過導波在結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時的頻散 曲線評價固體火箭發(fā)動機殼體中鋼層和絕熱層之間的層狀粘接結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量。西安交通 大學的張銳和萬明習 [3°]等通過數(shù)值仿真模擬和試驗驗證的方法，提出了一種全新的準確 評價層狀粘接質(zhì)量的超聲導波方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對復合板材鋼-玻璃鋼粘接結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測需要，提出一種 鋼-玻璃鋼復合板材脫粘超聲導波評價方法。采用直接接觸法用兩個固定間距的500 KHz 超聲導波探頭以一定入射角激勵和接收導波檢測信號，獲得板材結(jié)構(gòu)檢測信息，通過與脫 粘良好處的健康超聲導波檢測信號做互相關(guān)處理，計算出互相關(guān)系數(shù)，可以根據(jù)互相關(guān)系 數(shù)的大小對脫粘缺陷大小進行定量評價，實現(xiàn)對該類復合板材結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的有效檢測與 評價。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種鋼-玻璃鋼復合板材脫粘超聲導波評價方法，其特征在 于方法步驟如下： (1) 利用大功率超聲導波檢測系統(tǒng)進行檢測，檢測頻率500 KHz，檢測鋼-玻璃鋼雙層 結(jié)構(gòu)復合板材，環(huán)氧高溫壓制而成，鋼板厚為0.8 _，玻璃鋼厚為2. 5 mm;檢測導波探頭中 心頻率為500 KHz，探頭楔塊角度為60度，保證激勵出有效的導波模態(tài)；兩個導波探頭采用 一發(fā)一收方式檢測，探頭間距保持為60 mm，能夠使接收信號有充足的檢測能量，保證足夠 的檢測靈敏度； (2) 在試樣上采集一組無脫粘缺陷的健康信號然后再對有不同大小脫粘缺陷處 進行檢測rji；(i=l，2, 3…），將采集缺陷檢測信號，進行后期的互相關(guān)處理和分析； (3) 因此將采集到的不同大小缺陷處檢測信號與健康信號χΓ?；進行互相關(guān)處 理，計算出互相關(guān)系數(shù)，最后根據(jù)不同大小的脫粘缺陷與互相關(guān)系數(shù)進行對照，獲得缺陷大 小與互相關(guān)系數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，從而實現(xiàn)超聲導波對該復合板材結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的有效檢測 與評價。
[0007] 本發(fā)明所述互相關(guān)函數(shù)就是用來描述兩個相似信號的相關(guān)程度，它是表示兩個信 號之間依賴關(guān)系的相關(guān)統(tǒng)計量，針對兩個連續(xù)信號互相關(guān)函數(shù)定義如公式（1):
(1) 信號X⑷在時刻?，信號在時刻（相乘的平均值，其中f是延遲時間，勸采 樣點。對信號X⑴、Λ⑴以時間間隔進行采樣，假定單位延遲時間^ = Δ/，得到

其中/7是延遲時間序列，a是時間序列，得到兩個離散信號的互相關(guān)函數(shù)表達 式如公式（2):
(2) 在實際情況下，為了更加形象的表達出兩個變量的相關(guān)性，在基于互相關(guān)函數(shù)的基礎(chǔ) 上定義了互相關(guān)系數(shù)，表達式如公式（3):
(3) 互相關(guān)系數(shù)Pvfr)在-1至1之間，它的值越大，說明兩個變量的相似度越大。
[0008] 基于上述互相關(guān)評估的理論，可以通過互相關(guān)系數(shù)間接反映缺陷大小引起的差 異。以無缺陷情況的健康信號χΓ?；為參考信號，與之相關(guān)系數(shù)越小，缺陷越大。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的特點是： 一般超聲導波主要用于單一介質(zhì)的波導材料(板材、棒材、管材等）檢測，由于超聲導波 檢測時存在頻散特性和多模態(tài)特點，檢測是需根據(jù)不同材料中的頻散特性選擇合適的導波 模態(tài)就行檢測，這方面的研究在國內(nèi)外都已經(jīng)較成熟。而由于在金屬基粘接復合板材中導 波傳播機理更為復雜，頻散曲線很難計算，而且導波在復合材料中的傳播衰減嚴重，所以對 于數(shù)個毫米的金屬基粘接復合板材的超聲導波檢測還處于實驗室仿真研究階段，常規(guī)超聲 導波檢測方法仍然很難實現(xiàn)對該類粘接復合材料的有效檢測與評價。本次發(fā)明的評價方法 就是通過一定入射角激勵出傳播能量大并能在玻璃鋼層傳播的導波模態(tài)信號，通過固定距 離的接收信號保證接收到有效檢測信號，最后經(jīng)過計算不同大小脫粘信號與健康信號的互 相關(guān)系數(shù)，建立脫粘缺陷大小與互相關(guān)系數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，最終實現(xiàn)超聲導波對該復合板 材結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的有效檢測與評價，這種方法不用考慮超聲導波模態(tài)的變化，且通過探頭 距離保證足夠的傳播能量，從而避免了頻散曲線的計算和不同模態(tài)導波的傳播機理分析。
【附圖說明】
[0010] 圖1本發(fā)明的大功率超聲