劉松平,劉菲菲,傅天航,周德武
(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司/中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心, 北京 101300;2.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司, 大連 116034)
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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中R區(qū)超聲反射信號(hào)特征及其檢測(cè)應(yīng)用
劉松平1,劉菲菲1,傅天航1,周德武2
(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司/中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心, 北京 101300;2.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司, 大連 116034)
R區(qū)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的重要幾何過(guò)渡區(qū)和連接區(qū),利用超聲反射法檢測(cè)時(shí),入射聲波在R區(qū)形成的反射信號(hào)的復(fù)雜性明顯影響了缺陷的判別和評(píng)定。為此,采用寬帶窄脈沖超聲檢測(cè)方法,通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)及水膜耦合換能器,提取和分析來(lái)自實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)的超聲反射信號(hào)的時(shí)域特征,結(jié)合超聲檢出結(jié)果進(jìn)行解剖驗(yàn)證分析。結(jié)果表明:采用水膜耦合可以獲得較好的聲學(xué)耦合效果和穩(wěn)定的超聲反射信號(hào);來(lái)自R區(qū)分層等缺陷和R區(qū)層間界面及樹(shù)脂界面的反射信號(hào)在其單周特性、幅值特性、多次反射行為等方面存在明顯的時(shí)域差別,基于此特征,可有效地進(jìn)行復(fù)合材料R區(qū)缺陷的判別和定位,并有效地檢出R區(qū)近表面單個(gè)鋪層深度(約0.13 mm)的分層;基于此信號(hào)特征的B掃描為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中R區(qū)缺陷的檢測(cè)與評(píng)估提供了一種非常直觀的可視化方法。
超聲檢測(cè);復(fù)合材料;R區(qū);信號(hào)特征;缺陷識(shí)別
隨著復(fù)合材料在先進(jìn)飛機(jī)上的不斷應(yīng)用,特別是各種復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的不斷推出,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)越來(lái)越受到關(guān)注,通常要求對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行100%檢測(cè)。由于超聲方法可以非常有效地實(shí)現(xiàn)大部分飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)和缺陷的定性定量無(wú)損評(píng)估,因此,超聲檢測(cè)是一種非常重要和廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)和缺陷評(píng)估,通常需要針對(duì)不同復(fù)合材料的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu),研究或選用不同的超聲檢測(cè)技術(shù),其中超聲反射法和穿透法是目前應(yīng)用效果最好的超聲檢測(cè)方法[1-4],對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其缺陷具有很好的檢出能力[1-2]。不過(guò),超聲反射法和穿透法各有優(yōu)缺點(diǎn)[3]。其中基于超聲反射法和穿透法的C掃描檢測(cè)技術(shù)已成為一種非常普遍和有效的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)方法,且有了很好的工程實(shí)際應(yīng)用[5-6];而且,利用超聲3D掃描技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)[6]。利用超聲檢測(cè)得到的信號(hào)及其變化規(guī)律,還有望實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷自動(dòng)判別[6-7];通過(guò)優(yōu)化超聲檢測(cè)工藝,改進(jìn)復(fù)合材料超聲檢測(cè)效果[8],甚至可以利用空氣耦合超聲方法解決一些特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)[9]。
圖1 R區(qū)超聲檢測(cè)方法及結(jié)構(gòu)示意
不過(guò)在大多數(shù)情況下,超聲檢測(cè)需要對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)中的超聲信號(hào)特征有一個(gè)合理的提前認(rèn)識(shí)和積累。復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,對(duì)檢測(cè)人員了解和認(rèn)知其內(nèi)部超聲反射信號(hào)規(guī)律的要求就越高。有些較為復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,往往存在許多復(fù)合材料蒙皮與加強(qiáng)筋幾何連接部位,在結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中,這些連接部位會(huì)形成各種各樣的幾何過(guò)渡區(qū),簡(jiǎn)稱R區(qū),它起著結(jié)構(gòu)過(guò)渡和一定的傳載作用。因此,通常要求對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),目前主要采用超聲反射法對(duì)其檢測(cè)。因其結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性受限明顯且入射聲波在其內(nèi)部反射復(fù)雜,直接影響了R區(qū)超聲反射法檢測(cè)效果和缺陷判別的準(zhǔn)確性。因此,針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中各種R區(qū)部位及其形狀,構(gòu)建R區(qū)超聲反射信號(hào)特征之后,才能有效地用于R區(qū)的超聲檢測(cè)和缺陷的正確判別。目前較為可行的R區(qū)超聲反射檢測(cè)方法有:① 超聲接觸法,采用固體延時(shí)塊作傳聲柱,包括采用單晶元換能器和多晶相控陣換能器,延時(shí)塊與R區(qū)表面之間采用硬接觸耦合,難以保證掃查過(guò)程中的良好聲學(xué)耦合,從而影響超聲信號(hào)的反射/接收及其信號(hào)規(guī)律與缺陷的識(shí)別;② 采用超聲非接觸法,通常利用水作為耦合介質(zhì),需要復(fù)雜的噴水耦合系統(tǒng),在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在線制造現(xiàn)場(chǎng)或者外場(chǎng),通常不允許進(jìn)行大量的噴水作業(yè)。筆者針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)R區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用高分辨率脈沖超聲反射檢測(cè)方法,通過(guò)水膜耦合,分析實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)的超聲回波信號(hào)及特征,并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)構(gòu)建信號(hào)特征與R區(qū)內(nèi)部反射體特征之間的對(duì)應(yīng)聯(lián)系,指導(dǎo)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)的超聲反射法檢測(cè)和缺陷的判別及檢測(cè)應(yīng)用。
R區(qū)通常主要包括蒙皮和填充區(qū),但有些R區(qū),如拉齊成型的筋條中的R區(qū)沒(méi)有填充區(qū),因此,不同R區(qū),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同,聲波在其中的反射行為也不盡相同。以圖1所示的T形R區(qū)為例,它由復(fù)合材料蒙皮、加強(qiáng)筋或立檣、填充區(qū)三部分構(gòu)成,可分為開(kāi)敞和非開(kāi)敞兩種情況。不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu),因其所采用的蒙皮(其單個(gè)碳纖維預(yù)浸料鋪層厚度在0.13 mm左右)和加強(qiáng)筋或立檣的厚度有區(qū)別,因而R區(qū)的半徑變化不一,在R區(qū)形成的填充區(qū)也不一樣,但要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的部位主要包括:R區(qū)左右兩側(cè)蒙皮區(qū);R區(qū)左右兩側(cè)蒙皮-填充區(qū);R區(qū)對(duì)應(yīng)的下端蒙皮區(qū);R區(qū)對(duì)應(yīng)的下端蒙皮-填充區(qū)界面;R區(qū)中填充區(qū)。
針對(duì)R區(qū)的特點(diǎn),采用圖1(b)所示的超聲檢測(cè)方法,超聲波從P1、P2、P3三個(gè)不同位置和方向入射R區(qū),以便對(duì)R區(qū)各個(gè)部位和各個(gè)方向分布的缺陷形成最有利的聲波入射;其中在位置P2和P3,入射聲波的方向通過(guò)改變換能器的擺角進(jìn)行調(diào)節(jié),通過(guò)換能器的掃查移動(dòng),以確保有效地覆蓋檢出復(fù)合材料R區(qū)中可能產(chǎn)生的缺陷。
選擇換能器時(shí)主要考慮以下幾個(gè)因素:耦合效果,縱向分辨率和表面檢測(cè)盲區(qū),換能器及其接觸端的尺寸。此外,為了保證掃查過(guò)程中換能器的穩(wěn)定耦合和姿態(tài)(即入射方向),盡量使用與換能器配套的掃查輔助裝置(圖1中所示的輔助裝置)。
對(duì)于開(kāi)敞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中T形R區(qū)的超聲檢測(cè),選擇中航復(fù)材生產(chǎn)的專門(mén)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)檢測(cè)的高分辨率超聲換能器(劉松平等國(guó)家發(fā)明專利:ZL201210054308.5),如FJ-1W或FJ-2W系列復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)換能器,從位置P2和P3對(duì)R區(qū)左右側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè);選擇FJ-1系列復(fù)合材料換能器,從位置P1對(duì)R區(qū)對(duì)應(yīng)的部位進(jìn)行超聲掃查(參見(jiàn)圖1)。對(duì)于非開(kāi)敞式的內(nèi)腔類的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū),選用復(fù)合材料內(nèi)腔R區(qū)超聲換能器(劉松平等國(guó)家發(fā)明專利:ZL2012101955528.X)。
選擇超聲檢測(cè)系統(tǒng)時(shí),主要考慮以下因素:① 分辨率和表面檢測(cè)盲區(qū),確保能有效地檢出近表面缺陷;② 適合所在的檢測(cè)環(huán)境或場(chǎng)合,通常在離線檢測(cè)時(shí)才考慮超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)的選用。
對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)的在線檢測(cè)(即被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不離開(kāi)其模具或者離開(kāi)其成型模具后的制造現(xiàn)場(chǎng)),選擇復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀器(劉松平等授權(quán)專利:ZL201320021135.7),如FCC-D-1/FCC-B-1或MUT-1系列復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀;對(duì)于超聲自動(dòng)掃查檢測(cè),選擇復(fù)合材料超聲自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備(劉松平等國(guó)家發(fā)明專利:ZL201110199057.5),如其中的CUS-6000系列超聲檢測(cè)設(shè)備,超聲換能器與R區(qū)表面之間采用水膜耦合,確保掃查過(guò)程中形成穩(wěn)定的聲學(xué)耦合。通過(guò)對(duì)不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)進(jìn)行超聲掃查,分析來(lái)自不同R區(qū)的超聲反射信號(hào)及其特征。
為了獲取實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)中的超聲反射信號(hào)特征及其與R區(qū)內(nèi)部實(shí)際質(zhì)量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用圖1所示的超聲檢測(cè)方法,對(duì)一組實(shí)際碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)R區(qū)進(jìn)行了系列的超聲反射檢測(cè),對(duì)其中超聲檢出具有典型反射信號(hào)特征的R區(qū)部位進(jìn)行了取樣和顯微分析。
圖2(a)是從一實(shí)際復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)R區(qū)中對(duì)應(yīng)位置P2及其方向進(jìn)行超聲檢測(cè),得到的典型超聲反射信號(hào)E2(F,L,D),其中:F標(biāo)示的脈沖信號(hào)波形來(lái)自R區(qū)蒙皮表面的聲波反射,簡(jiǎn)稱F波或界面波;L標(biāo)示的脈沖信號(hào)波形來(lái)自R區(qū)蒙皮層間的聲波反射,簡(jiǎn)稱L波或?qū)硬?;D標(biāo)示的脈沖信號(hào)波形來(lái)自R區(qū)內(nèi)部或蒙皮-填料區(qū)界面附近的聲波反射,簡(jiǎn)稱D波。
圖2 來(lái)自R區(qū)P2方向和位置的超聲回波信號(hào)E2(F,L,D)及對(duì)應(yīng)的R區(qū)顯微結(jié)構(gòu)
從圖2(a)可以非常清晰地看出:① 來(lái)自R區(qū)蒙皮表面的反射信號(hào)F足夠大,表明換能器與R區(qū)蒙皮表面聲學(xué)耦合良好;② 來(lái)自R區(qū)蒙皮-填料區(qū)界面附近的反射信號(hào)D明顯,且呈現(xiàn)明顯的多周特征;③ 來(lái)自R區(qū)蒙皮區(qū)層間的反射信號(hào)L,與D和F相比,呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的時(shí)域特征。
圖2(b)是從對(duì)應(yīng)圖2(a)中超聲檢出結(jié)果的R區(qū)位置取樣后,得到的實(shí)際R區(qū)的斷面顯微結(jié)果,從圖中可以清晰地看出:① R區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)部缺陷,這表明圖2(a)中的L波的確來(lái)自R區(qū)層間聲波反射,它與R區(qū)的材料及其鋪層工藝等密切有關(guān);② 在R區(qū)蒙皮-填料區(qū)界面附近存在較明顯的樹(shù)脂區(qū),由于入射聲波在預(yù)浸料鋪層-樹(shù)脂界面約有21%左右的聲波反射[10],因而圖2(a)中D波應(yīng)來(lái)自R區(qū)內(nèi)部蒙皮-填料區(qū)界面附近的樹(shù)脂反射,而不是缺陷反射,且D波的第1個(gè)負(fù)峰和F負(fù)峰之間的時(shí)間差Δt≈1 000 ns。
圖3(a)是從R區(qū)中對(duì)應(yīng)位置P1及其方向進(jìn)行超聲檢測(cè),得到的典型超聲反射信號(hào)E1(F,L,D)。從圖可清晰地看出,E1(F,L,D)具有與E2(F,L,D)相似的信號(hào)特征:F足夠大;D波明顯,呈現(xiàn)明顯的多周特征;沒(méi)有明顯的L波。
圖3(b)是從對(duì)應(yīng)圖3(a)中超聲檢出結(jié)果的R區(qū)位置取樣后,得到的實(shí)際R區(qū)的斷面顯微結(jié)果。從圖中可清晰地看出:① R區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)部缺陷,且在聲波傳播方向,層間均勻性明顯比R區(qū)蒙皮的層間均勻性好,因而在圖3(a)中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的L波,這與蒙皮區(qū)的成型工藝有關(guān)。② 在R區(qū)下蒙皮-填料區(qū)界面附近存在一較明顯的樹(shù)脂界面層,因而在圖3(a)中的D波應(yīng)是來(lái)自R區(qū)內(nèi)部蒙皮-填料區(qū)界面附近的樹(shù)脂反射,且D波的第1個(gè)負(fù)峰和F負(fù)峰之間的時(shí)間差Δt≈2 450 ns,其傳播的聲程約是E2(F,L,D)中D波的2.45倍,復(fù)合材料的劇烈衰減使得E1(F,L,D)中D波明顯比E2(F,L,D)中D波小,但兩者的D波時(shí)域特征一致。
圖3 來(lái)自R區(qū)P1方向和位置的超聲回波信號(hào)E1(F,L,D)及對(duì)應(yīng)的R區(qū)顯微結(jié)構(gòu)
圖4(a)是從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)中另一位置進(jìn)行超聲檢測(cè)得到的典型超聲反射信號(hào)E2D(F,L,D)。從圖中可清晰地看出,E2D(F,L,D)中的D波與E1(F,L,D)和E2(F,L,D)的D波具有明顯不同的信號(hào)特征:① D波具有明顯的單周屬性;② 出現(xiàn)了明顯D波的多次反射波,如圖4(a)中D2波(D的二次反射)和D3波(D的三次反射)所指示的信號(hào)波形,而且它們都具有與D波一致的單周特性;③ 出現(xiàn)了明顯的L波。
圖4(b)是從對(duì)應(yīng)圖4(a)中超聲檢出結(jié)果的R區(qū)位置取樣后,得到的實(shí)際R區(qū)的斷面顯微結(jié)果(×40倍數(shù))。從圖4(b)中白色虛線所標(biāo)示的鋪層界面位置可清晰地看出,在R區(qū)蒙皮的第11~12個(gè)鋪層界面的確存在一分層缺陷,其兩端擴(kuò)展到了R區(qū)蒙皮的第12鋪層內(nèi)部。因而在圖4(a)中D波是來(lái)自R區(qū)中第11~12個(gè)鋪層界面間分層缺陷的反射,且D波的第1個(gè)負(fù)峰和F負(fù)峰之間的時(shí)間差Δt≈900 ns,其傳播的聲程比E2(F,L,D)中D波的聲程(Δt≈1 000 ns)略小,但E2D(F,L,D)中D波的幅值約是E2(F,L,D)中D波幅值的2.4倍,即高出約7.6 dB。此外,E2D(F,L,D)中D波的幅值約是E1(F,L,D)中D波幅值的4.6倍,即約13.3 dB。這是因?yàn)樵诜謱硬课?,入射聲波幾乎產(chǎn)生了全反射,而在圖2,3中樹(shù)脂界面的反射則只有21%左右的入射聲波會(huì)產(chǎn)生反射[12]。因此,根據(jù)E2D(F,L,D)中的D波特征,可以非常容易確定其分層缺陷屬性,依據(jù)Δt確定其具體的層深位置。例如,根據(jù)圖4中的超聲檢測(cè)結(jié)果和解剖結(jié)果,E2D(F,L,D)中的D波(Δt≈900 ns)對(duì)應(yīng)的分層層深約11個(gè)鋪層深,而E2(F,L,D)中D波的Δt≈1 000 ns,則不難得出,E2(F,L,D)中D波對(duì)應(yīng)約12.2個(gè)鋪層深度位置,近似12個(gè)鋪層,從而也驗(yàn)證了上述關(guān)于E2(F,L,D)中D波是來(lái)自R區(qū)蒙皮-填料界面樹(shù)脂層聲波反射的結(jié)論。
圖5 來(lái)自R區(qū)不同深度分層的超聲B掃描圖像
因此,基于超聲波在復(fù)合材料R區(qū)中的反射信號(hào)及其特征的B掃描圖像及其特征,可以非常清晰地確定R區(qū)不同深度的分層,即使當(dāng)缺陷位于R區(qū)表面/底面的1個(gè)鋪層深度位置,也能被有效地檢出。
寬帶窄脈沖超聲波在R區(qū)形成的反射信號(hào)特征與其內(nèi)部層間微結(jié)構(gòu)和缺陷密切相關(guān)。采用水膜耦合可以獲得較好的耦合效果和穩(wěn)定的超聲反射信號(hào),超聲檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和解剖驗(yàn)證結(jié)果表明,利用來(lái)自復(fù)合材料R區(qū)的反射信號(hào)的時(shí)域特征,可有效地進(jìn)行缺陷判別。
(1) 來(lái)自R區(qū)分層等缺陷的反射信號(hào)D波呈現(xiàn)明顯的單周特性,而來(lái)自R區(qū)層間界面和樹(shù)脂界面的反射信號(hào)D波呈現(xiàn)明顯的多周特性。
(2) 來(lái)自R區(qū)分層等缺陷的反射信號(hào)D波波高比來(lái)自R區(qū)層間界面和樹(shù)脂界面的反射信號(hào)L波波高明顯大,對(duì)于12個(gè)鋪層的R區(qū)蒙皮,其幅值相差超過(guò)7 dB。
(3) 來(lái)自R區(qū)分層等缺陷的反射信號(hào)D波呈現(xiàn)明顯的多次反射特性,而來(lái)自R區(qū)層間界面和樹(shù)脂界面的反射信號(hào)D波通常不會(huì)出現(xiàn)多次反射行為。
(4) 利用D波和F波之間的時(shí)域差異,可以估測(cè)R區(qū)D波的具體位置,由此可對(duì)超聲檢出缺陷進(jìn)行鋪層深度定位。
(5) 基于R區(qū)超聲反射行為的B掃描為R區(qū)提供了一種非常直觀的可視化檢測(cè)方法,檢測(cè)結(jié)果表明,其可以有效地檢出R區(qū)近表面單個(gè)鋪層深度(約0.13 mm)的分層。且該方法目前已得到了較好的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用,取得了較好的實(shí)際檢測(cè)效果。
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Ultrasonic Reflected Signals Characterization Resulted from R-Zone in Composite Structures
LIU Song-ping1, LIU Fei-fei1, FU Tian-hang1, ZHOU De-wu2
(1.AVIC Composite Corporation Ltd./AVIC Composite Technology Center, Beijing 101300, China; 2.Dalian Changfeng Industrial Company, Dalian 116034, China)
R-zones are the important geometric transition and joint region of composite primary structures. The complexities of echo signals from R-zones bodies have effects on the discrimination and evaluation of defects when ultrasonic reflection method is used. Therefore, a broad-band short pulsed ultrasonic method was employed to obtain echo signals from series of R-zones in practical carbon fiber-reinforced composite structures by using a special ultrasonic system and transducer with water-film coupling. Time-domain characterizations of the echo signals were analyzed. A series of destructive testing were implemented for validating the correction of the ultrasonic results. The testing results have shown that good ultrasonic coupling and high quality echo signals can be obtained by using the water-film transducer and the ultrasonic system; there are obvious time-domain differences of echo signals from delaminations and interlaminar ply interfaces as well as from resin interfaces in periodic property, amplitude and multiple reflection behavior. These differences in echo signals provide a very effective and easy way to discriminate and position defects in R-zone by using B-scan, which has been applied to practical nondestructive testing and evaluation of series of R-zones in composite structures. The delamination with 3 mm in diameter and single prepreg ply depth (approximately 0.13 mm)can be found out by the method.
Ultrasonic evaluation; Composite; R-zone; Signal characterization; Defect discrimination
2016-08-28
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571409,60727001)
劉松平(1962-),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事復(fù)合材料及焊接可視化無(wú)損檢測(cè)新方法新技術(shù)新儀器設(shè)備研究與檢測(cè)應(yīng)用工作。
劉松平, E-mail:liusping2014@163.com。
10.11973/wsjc201612001
TG115.28
A
1000-6656(2016)12-0001-05