一種厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)中缺陷的超聲檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)中缺陷的超聲檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料以其強(qiáng)度高，剛度高，抗疲勞性能好等優(yōu)良性能廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中，而復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)作為其基本的結(jié)構(gòu)方式也得到了長足的發(fā)展。以金屬為內(nèi)襯的厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)綜合了全復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)性能好及金屬氣瓶成本低的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了氣瓶、管道、油罐等設(shè)備的主要實(shí)現(xiàn)方式。但是由于此結(jié)構(gòu)的制造過程復(fù)雜及使用周期長，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)存在復(fù)合材料內(nèi)部損傷、復(fù)合材料層與鋼層脫粘、金屬腐蝕等多種缺陷。如何準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)的無損檢測，成為了一個(gè)很具挑戰(zhàn)性的問題。這不僅關(guān)系到設(shè)備本身性能的評(píng)估，更關(guān)系到國家財(cái)產(chǎn)與人身安全。
[0003]目前，常用的無損檢測主要有超聲檢測法、X射線檢驗(yàn)法、渦流檢測法、微波檢測法、聲發(fā)射檢測法等。超聲檢測法可以檢測復(fù)合材料構(gòu)件的分層、孔隙、裂紋和夾雜物。無論對(duì)于小而薄的板，還是大型構(gòu)件都可以采用脈沖反射或透射進(jìn)行檢測。X射線方法檢測分層缺陷很困難，一般只有當(dāng)裂紋平面與射線束大致平行時(shí)方能檢出，所以該法通常只能檢測與試樣表面垂直的裂紋。該方法可與超聲檢測法互補(bǔ)，但是對(duì)人體有害。渦流檢測法只適用于導(dǎo)電材料及近表面缺陷的檢測，且其容易受到環(huán)境中電磁信號(hào)的干擾。熱成像法僅僅適用于厚度較薄的復(fù)合材料，并且要求工件表層有較好的熱吸收率。聲發(fā)射法可以用于加載過程中產(chǎn)生缺陷擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)測量，但其信號(hào)依賴于缺陷本身，無法通過外部的聲源提高信號(hào)敏感度，較易受到噪聲或者假缺陷干擾。
[0004]20世紀(jì)70年代，超聲檢測法開始被引入復(fù)合材料層合板的無損檢測問題中。20世紀(jì)90年代，超聲脈沖斜波入射的方法在復(fù)合材料無損檢測領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，有學(xué)者嘗試應(yīng)用超聲掃描方法，并結(jié)合匹配算法和數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立復(fù)合材料損傷的三維顯示系統(tǒng)。近年來，復(fù)合材料的超聲無損檢測發(fā)展迅速而且日臻成熟。Rokhlin等人在垂直于和平行于纖維方向的平面內(nèi)，通過測量超聲波縱波、橫波相速度與波束入射角度的關(guān)系，計(jì)算出纖維基體復(fù)合材料的模量，并以此確定纖維基體層間損傷。Pagodinas等人研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的超聲無損檢測技術(shù)，指出由于復(fù)合材料缺陷的多樣性，檢測信號(hào)分析應(yīng)結(jié)合合適的信號(hào)處理技術(shù)，同時(shí)提出了信號(hào)濾波、調(diào)整換能器阻尼、脈沖整形和平滑、控制信號(hào)幅值四種常用的信號(hào)處理辦法。他分析復(fù)合材料無損檢測中亟待解決的問題分別為區(qū)分結(jié)構(gòu)噪聲下缺陷的回波信號(hào)，不規(guī)則材料下超聲回波信號(hào)的建模，多個(gè)回波信號(hào)情況下分辨率的提高，非均質(zhì)材料中缺陷位置的確定。2000年，Aymerich提出了基于超聲檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中基體缺陷的檢測問題，分析指出通過傳統(tǒng)的脈沖垂直入射回波和脈沖斜入射回波進(jìn)行檢測可以分別檢測出復(fù)合材料和基體中缺陷。但是缺陷僅局限于平行于層合板平面的復(fù)合材料缺陷和平行于復(fù)合材料纖維方向的基體缺陷。目前為止，超聲檢測技術(shù)的發(fā)展多局限于簡單的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中損傷的大小、位置判斷及其作用機(jī)理的研究中。
[0005]國內(nèi)對(duì)復(fù)合材料超聲無損檢測的研究正處于剛起步的階段，研究熱點(diǎn)主要集中在復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)中損傷的識(shí)別、定位、評(píng)估、重構(gòu)等方面，建模方法、實(shí)驗(yàn)手段、設(shè)備制造等方面都有十足的進(jìn)步。但尚有一些不足，主要體現(xiàn)在:1)研究對(duì)象僅是全復(fù)合材料的簡單的小型結(jié)構(gòu)；3)研究問題主要集中在單一缺陷的檢測方法上，未考慮結(jié)構(gòu)中缺陷的多樣性；2)檢測方法多在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，鮮有可行的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)；4)缺陷判斷需要完好信號(hào)作為基準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)的超聲檢測方法；本發(fā)明的方法可以用于復(fù)合材料與金屬組成的管狀結(jié)構(gòu)的多種缺陷的檢測，并利用響應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行損傷定位及大小評(píng)估，可實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)性能的定量化分析，檢測方法精度較高，無需基準(zhǔn)信號(hào)，簡單易行且可用于現(xiàn)場檢測。
[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)中缺陷的超聲檢測方法。
[0008]本發(fā)明的厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)中缺陷的超聲檢測裝置包括:超聲縱波探頭、超聲脈沖發(fā)生/接收器、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)；其中，耦合劑均勻涂抹在待測結(jié)構(gòu)的外表面；超聲縱波探頭垂直壓在涂有耦合劑的待測結(jié)構(gòu)的表面；超聲脈沖發(fā)生/接收器發(fā)射超聲波作為入射波至待測結(jié)構(gòu)，經(jīng)待測結(jié)構(gòu)反射后的反射波由超聲縱波探頭接收；接收的反射波經(jīng)超聲脈沖發(fā)生/接收器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，傳輸至數(shù)字示波器顯示，并同時(shí)將數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。
[0009]本發(fā)明的厚壁復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)中缺陷的超聲檢測方法，包括以下步驟:
[0010]1)參數(shù)設(shè)置:依次連接超聲縱波探頭、超聲脈沖發(fā)生/接收器、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)；選擇超聲脈沖發(fā)生/接收器的模式為反射模式，設(shè)置通帶范圍和增益，打開示波器，設(shè)置入射波、反射波通道及觸發(fā)方式，打開計(jì)算機(jī)中的波形數(shù)據(jù)采集軟件；
[0011]2)信號(hào)測試及參數(shù)調(diào)整:在待測結(jié)構(gòu)的外表面均勻涂抹耦合劑，將超聲縱波探頭垂直壓在涂有耦合劑的待測結(jié)構(gòu)的表面，微調(diào)超聲縱波探頭的位置，使其與耦合劑接觸良好；超聲脈沖發(fā)生/接收器發(fā)射超聲波作為入射波至待測結(jié)構(gòu)，經(jīng)待測結(jié)構(gòu)反射后的反射波由超聲縱波探頭接收，經(jīng)超聲脈沖發(fā)生/接收器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，傳輸至數(shù)字示波器顯示，觀察數(shù)字示波器，調(diào)整超聲脈沖發(fā)生/接收器的增益及示波器的時(shí)間分辨率及幅值，使反射波的信號(hào)最佳，調(diào)整完成后，所有超聲脈沖發(fā)生/接收器和示波器的參數(shù)設(shè)置在整個(gè)待測結(jié)構(gòu)的檢測過程中均應(yīng)保持不變；
[0012]3)得到原始信號(hào)數(shù)據(jù):保存接收到的反射波的數(shù)據(jù)，形成原始信號(hào)數(shù)據(jù)χΟ (η)，η=1,2, 3，4…N，其中，N為采樣數(shù)，N彡2:
[0013]4)信號(hào)處理:將原始信號(hào)經(jīng)過降噪、快速傅里葉變換FFT、連續(xù)小波變換CWT的信號(hào)處理后，獲得最終信號(hào)數(shù)據(jù)x2 (η)，并生成小波系數(shù)幅值-時(shí)間曲線圖；
[0014]5)缺陷評(píng)估及金屬層測厚:根據(jù)生成的小波系數(shù)幅值-時(shí)間曲線圖，提取出復(fù)合材料層內(nèi)部損傷、復(fù)合材料層與金屬層界面脫粘的位置及大小，并計(jì)算得到金屬層厚度的分布;
[0015]6)結(jié)構(gòu)的C掃描:檢測過程中按照順序逐點(diǎn)移動(dòng)超聲波縱波探頭，使測點(diǎn)均布在待測結(jié)構(gòu)的表面，在每個(gè)測點(diǎn)處，重復(fù)步驟3)?5)，得到各個(gè)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料層內(nèi)部損傷、復(fù)合材料層-金屬層界面脫粘、金屬層的厚度的量化后的信息；
[0016]7)將所有測點(diǎn)的信息按照其坐標(biāo)排列，生成整個(gè)待測結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料層內(nèi)部損傷、復(fù)合材料層-金屬層界面脫粘、金屬層厚度的分布云圖。
[0017]其中，在步驟4)中，信號(hào)處理具體包括以下步驟:
[0018](1)降噪:對(duì)原始信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)xl (η)，降噪包括小波降噪和小波包降噪兩種方式實(shí)現(xiàn):
[0019]a)小波包降噪:選擇能測得集中度的可加性代價(jià)函數(shù)M，通過最優(yōu)基選擇方法，搜索原始信號(hào)數(shù)據(jù)xO (η)關(guān)于可加性代價(jià)函數(shù)Μ的最優(yōu)小波包基Β，利用最優(yōu)小波包基Β及可加性代價(jià)函數(shù)Μ，對(duì)原始信號(hào)xO (η)進(jìn)行L層的小波包分解，得到小波包分解系數(shù)，對(duì)每一個(gè)小波包分解系數(shù)，采用預(yù)先設(shè)定的降噪閾值THR進(jìn)行閾值量化，得到量化處理的系數(shù)，根據(jù)最底層的小波包分解系數(shù)和量化處理的系數(shù)，重構(gòu)小波包，從而得到降噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)xl(n)，其中，L彡3，且L為整數(shù);
[0020]b)小波降噪:對(duì)原始信號(hào)xO (η)進(jìn)行L層的小波分解，得到各個(gè)分解尺度下的底層低頻系數(shù)和高層高頻系數(shù)，對(duì)各個(gè)分解尺度下的高層高頻系數(shù)，采用預(yù)先設(shè)定的降噪閾值THR進(jìn)行軟閾值量化，得到量化處理的高層高頻系數(shù)，根據(jù)小波分解的底層低頻系數(shù)和量化處理的各高層高頻系數(shù)，重構(gòu)小波包，從而得到降噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)xl (η)，其中，L ^ 3，且L為整數(shù)。
[0021](2)快速傅里葉變換提取原始信號(hào)中心頻率:計(jì)算原始信號(hào)數(shù)據(jù)的采樣頻率Fs及信號(hào)的頻率范圍F，對(duì)原始信號(hào)數(shù)據(jù)χθ(η)進(jìn)行快速傅里葉變換，根據(jù)計(jì)算變換后的幅值，以頻率范圍F為橫坐標(biāo)畫出頻譜圖，根據(jù)頻譜圖估計(jì)原始信號(hào)的中心頻率f ;
[0022](3)連續(xù)小波變換:根據(jù)得到的中心頻率f，選取尺度因子a，a = Fs/f，并根據(jù)時(shí)頻分辨率特性選擇小波函數(shù)，對(duì)降噪后的信號(hào)xl (n)進(jìn)行單頻率的連續(xù)小波變換，得到最終信號(hào)數(shù)據(jù)x2 (η)，并生成小波系數(shù)幅值-時(shí)間曲線圖，其中，曲線圖中的小波系數(shù)的峰值時(shí)刻就表示頻率為f的波組分的峰值時(shí)刻。
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