朱國(guó)勝

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241000）

復(fù)合材料層合板應(yīng)用廣泛，實(shí)際使用中通常與金屬板連接，發(fā)揮二者的結(jié)構(gòu)性能，以適應(yīng)不同研究領(lǐng)域應(yīng)用需求[1]。兩種材料連接時(shí)，連接處因材料特性的差異會(huì)影響連接處質(zhì)量，連接方式也會(huì)不同程度改變連接處的連接結(jié)構(gòu)與連接強(qiáng)度。因此在完成連接操作后需要對(duì)連接處進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

李翰超等[2]利用電磁通量密度差異，檢測(cè)金屬材料的表面缺陷。李樹彬[3]利用聲波信號(hào)的反射定量，對(duì)錨桿進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。王媛媛等[4]利用光纖布拉格光柵傳感原理，設(shè)計(jì)了無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)了金屬表面缺陷。陳勁等[5]將紅外熱成像法與超聲波結(jié)合，存在溫差的構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。但是以上這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在對(duì)于構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)精度較低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

為了解決上述問(wèn)題，文章利用超聲波頻譜研究復(fù)合材料層合板與金屬板連接處質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

1 建立復(fù)合材料層合板與金屬板連接結(jié)構(gòu)的有限元模型

復(fù)合材料層合板與金屬板連接方式為單釘單剪連接和接頭搭接相結(jié)合的方式。在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，需要分析連接處的受力情況，以便于提升無(wú)損檢測(cè)效率。因此，文章利用有限元原理建立兩種材料連接處的結(jié)構(gòu)有限元模型，來(lái)分析單釘單剪連接處的受力情況。

在ABAQUS 中，根據(jù)復(fù)合材料層合板、金屬板的彈性模量、剪切模量、泊松比等材料性能和尺寸信息，建立復(fù)合材料層合板、金屬板、螺栓的三維實(shí)體模型，具體如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

在受力時(shí)從面會(huì)被主面侵入，從而發(fā)生形態(tài)變化。超聲波在層合板各層、金屬板的傳播時(shí)間存在差異[6]。結(jié)合有限元模型，利用該特性劃定缺陷大致區(qū)域，可以確定超聲波檢測(cè)主要位點(diǎn)。

2 無(wú)損檢測(cè)超聲信號(hào)處理

將超聲波照射至復(fù)合材料層合板和金屬板連接處，可以利用超聲波成像對(duì)材料內(nèi)部質(zhì)量缺陷分布顯示，而利用超聲波的聲學(xué)特性可以檢測(cè)材料的力學(xué)性能。綜合超聲波成像和聲波信號(hào)頻譜分析，可以得到無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。對(duì)連接處無(wú)損檢測(cè)的超聲信號(hào)處理分為對(duì)連接處成像進(jìn)行處理以及對(duì)聲波信號(hào)預(yù)處理兩個(gè)部分。

超聲波信號(hào)對(duì)材料連接處成像，對(duì)超聲圖像進(jìn)行銳化濾波以得到質(zhì)量缺陷位置的高質(zhì)量圖像。使用拉普拉斯濾波模板對(duì)超聲圖像進(jìn)行處理。由于連接處材料組成差異較為明顯，使用全局閾值分割處理，分離質(zhì)量缺陷與非質(zhì)量缺陷區(qū)域像素。計(jì)算超聲圖像的平均像素灰度值，將該值作為閾值按照下式分割圖像[7]。

其中，v（x，y）為銳化濾波處理后的圖像；（x，y）為圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)。

對(duì)初步分割的圖像分別計(jì)算兩部分的平均灰度值g1、g2，以兩個(gè)子圖像平均灰度值的類間方差，更新分割閾值。類間方差計(jì)算公式如下[8]：

式中，m為超聲圖像的灰度等級(jí)；Li為灰度等級(jí)對(duì)應(yīng)概率值。

重復(fù)上述過(guò)程，當(dāng)類間方差最大，完成對(duì)圖像的分割。

超聲波射入連接處平面的角度以及材料阻抗會(huì)改變超聲波波形。因此，在頻譜分析前，從時(shí)域上對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行去噪處理。使用小波閾值去噪方法對(duì)超聲信號(hào)降噪。若含噪超聲信號(hào)為F，噪聲為z，經(jīng)信號(hào)離散化后使用軟閾值門限原理分解信號(hào)。計(jì)算公式如下[9]：

式中，δ為軟閾值門限；β為噪聲強(qiáng)度；N為離散后的信號(hào)長(zhǎng)度；l為小波分解信號(hào)長(zhǎng)度。初步處理信號(hào)后，在頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

3 頻譜分析實(shí)現(xiàn)連接處質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

對(duì)離散后的超聲信號(hào)X（t）進(jìn)行快速傅里葉變換，變化公式如下。

式中，fs為離散后的信號(hào)頻率，其數(shù)值為信號(hào)采樣間隔的倒數(shù)；μ為等間隔沖激序列的子序列；X（ω）為信號(hào)頻譜；n為采樣點(diǎn)數(shù)量；ωs為頻域中的信號(hào)采樣頻率。

超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)連接處質(zhì)量缺陷位置時(shí)，信號(hào)幅值發(fā)生變化。超聲波接收端接收信號(hào)能量E與接收信號(hào)的頻域幅值關(guān)系如下[10]：

式中，A（ωn）為頻域中的信號(hào)幅值。

超聲信號(hào)傳輸至連接處缺陷位置時(shí)，發(fā)生散射并改變了接收出的頻率成分。超聲信號(hào)中的高頻快速衰減，使得窗口內(nèi)的主瓣寬度和中心頻率向低頻移動(dòng)。計(jì)算連接處的能量衰減變化率，表征質(zhì)量缺陷。質(zhì)量缺陷越多接收端接收信號(hào)能量衰減越嚴(yán)重。結(jié)合超聲成像結(jié)果，即可得到對(duì)兩種材料板材連接處的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

4 檢測(cè)技術(shù)性能驗(yàn)證研究

4.1 檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證方案

技術(shù)驗(yàn)證選用的檢測(cè)樣本均為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板與鋁合金連接組成。層合板單層厚度為0.15 mm，鋁合金板厚度為4 mm，兩個(gè)板材長(zhǎng)度均為280 mm，連接處長(zhǎng)度為120 mm。樣本的連接螺栓孔徑為8 mm，孔徑邊距比約為3。材料的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣本材料參數(shù)

本次無(wú)損檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證以超聲波頻譜分析技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果與基于渦流、基于紅外熱成像法檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。為避免對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，在無(wú)外界光照等干擾條件的室內(nèi)完成對(duì)樣本質(zhì)量檢測(cè)。技術(shù)驗(yàn)證的對(duì)比指標(biāo)為檢測(cè)樣本時(shí)，各個(gè)不同檢測(cè)技術(shù)的有效缺陷檢測(cè)出率、誤檢率以及缺陷孔隙定位偏差三個(gè)指標(biāo)。分析技術(shù)性能驗(yàn)證指標(biāo)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)所研究的檢測(cè)技術(shù)是否具有實(shí)際可行性。

4.2 驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

按照人為處理樣本的缺陷數(shù)量、種類，將100個(gè)材料樣本平均分為10組。檢測(cè)技術(shù)對(duì)各組樣本進(jìn)行連接處質(zhì)量檢測(cè)，以組內(nèi)檢測(cè)的平均值為最終的檢測(cè)結(jié)果。不同檢測(cè)技術(shù)對(duì)樣本質(zhì)量檢測(cè)的有效檢出率、誤檢率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，各組樣本材料質(zhì)量缺陷不同，但是使用超聲波頻譜分析檢測(cè)技術(shù)對(duì)樣本缺陷的有效檢出率均高于93%。相比較而言，基于渦流的檢測(cè)技術(shù)平均有效檢出率為89.73%，基于紅外熱成像法檢測(cè)技術(shù)平均有效檢出率為91.25%，均低于超聲波頻譜分析檢測(cè)技術(shù)的最低值。從樣本質(zhì)量缺陷漏檢率數(shù)值分析，超聲波頻譜分析檢測(cè)技術(shù)的漏檢率整體低于對(duì)比檢測(cè)技術(shù)，并且該技術(shù)的漏檢率整體波動(dòng)幅度較小。這說(shuō)明在對(duì)樣本進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，使用超聲波檢測(cè)精度更高。

表2 質(zhì)量檢測(cè)有效檢出率和誤檢率 %

人工處理后的樣本質(zhì)量問(wèn)題分布情況不同，根據(jù)位置標(biāo)注測(cè)量各個(gè)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)出的質(zhì)量缺陷位置，并計(jì)算定位誤差。檢測(cè)技術(shù)對(duì)質(zhì)量缺陷的定位誤差如圖2所示。

圖2 檢測(cè)技術(shù)定位質(zhì)量缺陷誤差對(duì)比

由圖2可知，對(duì)不同缺陷分布的樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波頻譜分析檢測(cè)技術(shù)的定位誤差曲線整體位于另外兩個(gè)技術(shù)的下方。說(shuō)明從數(shù)值上看，超聲波頻譜分析檢測(cè)定位質(zhì)量缺陷的位置更接近真實(shí)位置。從誤差曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，超聲波技術(shù)誤差曲線比較平穩(wěn)。說(shuō)明對(duì)于不同類型的樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波技術(shù)檢測(cè)適用范圍廣，可靠性更佳。由此可以證明，文章研究的超聲波頻譜分析下的復(fù)合材料層合板與金屬板連接處質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的檢測(cè)精度明顯提升，檢測(cè)結(jié)果更可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料層合板與金屬板連接是目前層合板應(yīng)用的主要形式，由于連接材料的本身特性差異，容易在連接處出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。為保證材料實(shí)際使用時(shí)穩(wěn)固性，提出了超聲波頻譜分析下的復(fù)合材料層合板與金屬板連接處質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，利用超聲波設(shè)備在不破壞材料前提下，高效檢測(cè)了材料連接處質(zhì)量。經(jīng)過(guò)與其他檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比，驗(yàn)證了所提出的檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度高，檢測(cè)效果更佳。