一種纖維增強樹脂基復合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種纖維增強樹脂基復合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方 法，屬于超聲檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 相控陣超聲檢測具有檢測靈敏度高、檢測效率高、可成像記錄等優(yōu)點，已廣泛應用 于纖維增強樹脂基復合材料試件質量檢測。其關鍵在于控制各壓電晶片的延時，以電子方 式控制聲束的偏轉或聚焦，進而在被檢區(qū)域內獲得良好的檢測效果。這對于探頭與檢測位 置有一定水平距離、聲束傾斜入射進入試件的情況十分有益。然而，現(xiàn)有的檢測儀器都將檢 測材料默認為各向同性介質，從而計算晶片的延時法則。這對于層板狀纖維增強樹脂基復 合材料試件并不合適，原因在于材料的彈性各向異性會顯著影響超聲波的傳播，進而影響 聲束的偏轉和聚焦，降低檢測的定量、定位精度。因此，必須根據(jù)其固有的材料屬性和彈性 特性對晶片的延時法則進行優(yōu)化，才能提高缺陷檢測效果。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明提出一種纖維增強樹脂基復合材料相控陣超聲檢測晶片延遲法則優(yōu)化方 法。本發(fā)明旨在優(yōu)化相控陣超聲檢測的晶片延遲法則，為研究纖維增強樹脂基復合材料中 聲傳播規(guī)律、改進檢測工藝、提高缺陷檢測能力提供支持。
[0004] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0005] ⑴測量試樣的材料屬性
[0006] 針對層板狀纖維增強樹脂基復合材料試樣，利用阿基米德法測量其密度，利用直 接接觸法、使用脈沖反射技術（所用探頭為與（2)中相控陣超聲線性陣列探頭主頻一致的 常規(guī)超聲探頭）測量垂直試樣表面的縱波聲速，利用自參考體波法測量與上述試樣材料工 藝相同且鋪向角均為〇度角的單向帶的彈性剛度矩陣。對層板狀纖維增強樹脂基復合材料 試樣進行解剖、打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察試樣不同鋪層的微觀組織、纖維取向特征， 測量鋪層厚度，統(tǒng)計鋪層數(shù)目及鋪向角排布規(guī)律。
[0007] (2)建立超聲檢測模型
[0008] 根據(jù)層板狀纖維增強樹脂基復合材料試樣尺寸，在CIVA軟件中建立對應模型。
[0009] 根據(jù)檢測所用相控陣超聲線性陣列探頭規(guī)格參數(shù)（包括探頭晶片數(shù)量、晶片間 距、始發(fā)信號的主頻、頻帶寬度和相位）和實際的檢測參數(shù)（包括掃查方式、孔徑大小和聚 焦深度），在CIVA軟件進行相應設置。
[0010]由于實際相控陣超聲檢測中均將材料視為各向同性，所以首先建立各向同性模 型。根據(jù)測得的密度和縱波聲速設置材料參數(shù)。
[0011] 為進行后續(xù)的延遲法則優(yōu)化，考慮不同鋪層纖維鋪向的影響，建立各向異性模型。 首先將〇度角取向纖維、樹脂等多相進行等效處理為單一相，并賦予相應的彈性剛度矩陣， 其他鋪層按（1)中觀察的鋪向角排布規(guī)律設置鋪層旋轉角度。
[0012] (3)計算延遲法則
[0013] 利用⑵中各向同性模型計算延遲法則。延遲法則計算公式為：
[0015] 其中η為陣元序號，tn為第η個陣元所激勵的聲波傳播至聚焦位置時所用的時間， A tn為第η個陣元的延遲時間，d η。和d η1分別為第η個陣元所激勵的聲波傳播至聚焦位置 時在耦合介質和試樣內的傳播距離，％為超聲在耦合層內的縱波聲速，^為（1)中測得的 縱波聲速。
[0016] (4)優(yōu)化延遲法則
[0017] 根據(jù)（2)中各向異性模型優(yōu)化延遲法則，優(yōu)化延遲法則的計算公式為：
[0019] 此處公式中m為（1)中統(tǒng)計的鋪層數(shù)目，dni為第η個陣元所激勵的聲波傳播至聚 焦位置時在第i個鋪層的傳播距離，V ni(Q1)為由（1)中測得的彈性剛度矩陣計算得到的 第i個鋪層內S1方向上的縱波聲速，Θ i為第i個鋪層內聲傳播路徑與垂直鋪層方向的夾 角。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于：考慮了材料各向異性對聲傳播的影響，優(yōu)化了相控陣超聲檢 測在纖維增強樹脂基復合材料中的晶片延遲法則，提高了聲束聚焦效果從而得到更準確的 檢測結果。
【附圖說明】
[0021] 下面結合附圖，以碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)為實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0022] 圖1是CFRP試樣的宏觀金相照片。
[0023] 圖2是在CIVA軟件中建立的各向同性模型示意圖。
[0024] 圖3是在CIVA軟件中建立的各向異性模型示意圖。
[0025] 圖4是延遲法則校正前的CFRP試樣中聲壓分布圖。
[0026] 圖5是延遲法則校正前的CFRP試樣中缺陷B掃描圖。
[0027] 圖6是校正前后的延遲法則。
[0028] 圖7是延遲法則校正后的CFRP試樣中聲壓分布圖。
[0029] 圖8是延遲法則校正后的CFRP試樣中缺陷B掃描圖。
【具體實施方式】
[0030] (1)測量CFRP試樣的材料屬性
[0031] 針對厚15mm的層板狀CFRP試樣，利用阿基米德法測量其密度，結果為I. 56g/cm3; 利用直接接觸法、使用脈沖反射技術（5MHz常規(guī)超聲探頭）測量垂直試樣表面的縱波聲速 為2844m/s，利用自參考體波法測量與CFRP試樣材料工藝相同且鋪向角均為0度角的單向 帶的彈性剛度矩陣（單位GPa)為
[0033] 再對CFRP試樣進行切割、打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察CFRP試樣不同鋪層的 纖維取向特征，圖1為CFRP試樣的宏觀金相照片，測量鋪層厚度為0. 125_，統(tǒng)計得鋪層數(shù) 目為120層，鋪向角排布規(guī)律為丨丨45/-45/0/90/0；|s。
[0034] (2)建立超聲檢測模型
[0035] 在CIVA軟件中建立模型，尺寸為100 X 50 X 40mm3。
[0036] 設置探頭規(guī)格參數(shù)和檢測參數(shù)：相控陣超聲線性陣列探頭晶片數(shù)量32陣元，晶片 間距為0. 6mm，始發(fā)信號主頻為5MHz，頻帶寬度為80%，相位為0度角，檢測孔徑大小為32 陣元，聚焦采用單點聚焦方式，聚焦深度為14mm，偏轉角度為