复合材料由于其高的比强度、比模量以及良好的抗疲劳性和成型工艺性而在航空制造业中获得大量应用, 由于纤维增强复合材料具有导电性差、热导率低、声衰减高等特点, 在力学和物理性能方面呈显著的各向异性, 因此准确预测复合材料性能就显得非常关键。目前对于复合材料的破坏机理还不是十分清楚, 影响材料状态的变化因素较多(承载、温湿度、外部损伤、疲劳) , 大部分材料的性能需要通过破坏性试验才能获得。

    关于金属材料部分性能的无损表征技术, 国内外已经开展了大量的研究工作, 而复合材料由于受到其中碳纤维束声波散射、碳纤维与树脂固化界面声波散射、吸收声波振动等因素影响, 超声波穿过材料时, 基体噪声高, 高频段信噪比低, 无损检测材料内部缺陷的分辨力和灵敏度较低, 使得用超声波无损表征复合材料难度增大。即便如此, 无损表征技术对于成型后的复合材料结构件强度分析, 仍具有十分重要的意义。

   1　超声波检测

    超声波检测是一项利用超声波在材料中传播时所发生的反射、透射和散射现象, 对试件进行宏观缺陷、几何特征、组织结构和力学性能检测的技术。

    从材料中存在的缺陷类型来看, 对复合材料构件强度的影响较为明显, 并且在制造工艺和使用过程中较易出现的主要缺陷是内部材料的分层、气孔、疏松、层间裂纹和越层裂纹等。需要特别指出的是, 局部的裂纹、分层和较大的气孔意味着严重的局部损伤, 而气孔含量和层间剪切强度之间的典型关系说明, 强度会随着气孔含量的增加而迅速下降。

    目前对航空复合材料结构件的超声波检测方法,主要包括接触法、延迟法和水浸法, 无论采用哪种检测方法, 判定材料中是否存在缺陷的主要依据仍是缺陷反射波的幅度和时间位置(时域波形分析法)。随着超声波检测技术的发展, 出现了可用于材料微组织性能检测的超声频谱分析方法, 其典型的应用就是分析由气孔引起的超声波衰减同材料层间剪切强度的关系。

    2　超声波信号数字处理

   信号处理和数据分析方法是超声波无损检测技术常用的有效方法。信号处理和数据分析的目的是通过增强接受信号中某些特征, 从而取出对检测目的有用

    2.3　MATLAB 函数

    使用MA TLAB 中的函数库, 可完成波形处理、互相关系数计算、功率谱密度计算等工作。

    在MA TLAB 的函数中, 功率谱估计函数(Spect rum ) 是一个相当重要的函数, 通过选择不同的去趋势方式、加窗方法和置信区间, 用W elch 平均周期图法进行功率谱估计。在本次研究过程中, 选择的输入

参数如下:

    W elch 分段长度: 256; 相邻两段重叠点数: 128; 置信区间: 95%; 窗函数: Hann ing。将来可以根据性能的表征效果, 结合各种输入参数对计算结果的影响, 反演计算的合理性, 以达到更准确的效果。

    3　检测实例与表征分析

    无损表征的作用就是为材料性能的估计提供数据。为了验证无损表征的可行性, 进行了3mm 碳纤维层板试样的层剪强度试验, 试验前选点采集、存储了部分试样的波形, 结合层剪强度试验数据进行分析。

 

    3.1　时域分析

    超声波波形特征与各层剪强度的数据对比如图2所示。通过试验数据与超声波的波形比较表明, 材料中存在的缺陷或是材料物理尺寸的变化, 对材料的性能影响很大, 同时我们得知, 对超声波的波形分析可以预测材料的部分性能变化趋势, 这一结论为材料剩余强度和使用寿命的估算提供了参考依据。

   3.2　频域分析

   通过对波形数据的频域分析, 可以更深入地进行无损表征研究工作。由于数据多, 逐一进行分析和对比的工作量巨大, 寻找其中的规律比较困难, 采用了M at lab 数学处理软件进行了频域分析, 主要内容如下:

(1) 将波形文件转换成M at lab 专用的数据文件, 同时删除界面波信号和底面波之后的信号, 提高数据的真实性和准确性;