【摘要】：隨著制造技術進步和結構性能需求,碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)呈現(xiàn)出鋪層結構復雜、層數(shù)多、厚度大的發(fā)展趨勢。厚截面CFRP制造工藝復雜,溫度梯度、殘余應力等工藝問題常導致纖維分布不均、富樹脂、纖維彎曲等制造缺陷的出現(xiàn)。在厚截面CFRP構件中,缺陷出現(xiàn)位置隨機、尺寸大小各異,早期微小制造缺陷在構件服役過程發(fā)展成為嚴重缺陷、大型構件的遠端缺陷因遠離檢測表面而無法檢測得到等問題,對CFRP中缺陷的檢測和表征提出了新的要求。超聲檢測方法是應用最廣泛的無損檢測手段之一,可通過不同設備實現(xiàn),而使用單側同探頭發(fā)射、接收的脈沖反射法是最直接、最實用的超聲檢測方法。脈沖反射法得到的信號包含超聲脈沖在材料中傳播行為的豐富信息,信號各部分均被有效應用于CFRP的缺陷檢測:基于底面回波信號能量變化的缺陷檢測、基于近表面背散射信號中脈沖共振行為的缺陷檢測、基于背散射信號中異常能量成分的缺陷檢測等。然而,針對厚截面CFRP中遠離檢測表面的微小缺陷來說,脈沖反射法的使用受到限制:遠表面背散射信號中共振頻率成分幾乎消失;超聲脈沖的衰減隨傳播距離增加而增大、底波甚至會完全消失;CFRP內部固有不均勻性也將在背散射信號中形成異常反射回波等。種種限制因素表明,對于厚截面CFRP遠表面微缺陷的超聲檢測來說,基于信號能量的缺陷檢測方法局限性較大,需要從新的角度考慮缺陷表征方法。時間序列分析依據(jù)數(shù)據(jù)之間的相互關系來研究系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律,對信號絕對幅值的要求不高,可用于遠表面背散射信號分析。線性時間序列分析模型簡單、易于實現(xiàn),對平穩(wěn)性信號具有較好預測效果。然而CFRP復雜的鋪層結構和超聲脈沖復雜的傳播行為使得超聲信號局部統(tǒng)計特性隨時間變化、具有不平穩(wěn)性,并且實驗條件限制下采集得到的超聲時間序列長度較短,線性時間序列分析的平穩(wěn)性假設前提及數(shù)據(jù)量要求無法得到滿足,因此不宜用于厚截面CFRP超聲信號分析。非線性時間序列分析方法如遞歸分析通過研究相空間中軌跡的遞歸行為近似得到系統(tǒng)演化規(guī)則,擺脫了平穩(wěn)性假設的限制,并且可對短時非平穩(wěn)信號進行分析,對厚截面CFRP遠表面微缺陷的檢測具備較大可行性。因此,本文使用脈沖反射法對厚截面CFRP遠表面缺陷進行檢測,并使用非線性時間序列分析方法對超聲背散射信號進行分析研究,以提高傳統(tǒng)背散射信號分析法的缺陷檢測能力。本文具體內容包括以下幾個方面:(1)對CFRP應用場景及研究現(xiàn)狀進行介紹,針對傳統(tǒng)超聲檢測方法和先進超聲檢測技術的優(yōu)缺點進行分析,并論述了對背散射信號進行非線性時間序列分析的可行性。(2)對脈沖反射過程進行線性模型分析,對背散射信號形成過程、組成及線性特征進行分析,并對CFRP內部結構及缺陷對背散射信號的影響進行研究。(3)對非線性時間序列分析理論進行闡述,介紹了相空間重構理論,并對實際不同厚度的CFRP背散射信號進行相空間分析,得到背散射信號軌跡特征,分析了最佳重構參數(shù)與材料結構的關系。(4)介紹了基于相空間重構的分析工具-遞歸分析方法,包括遞歸圖(Recurrence Plot,RP)和遞歸定量分析(Recurrence Quantification Analysis,RQA)。通過研究不同厚度材料的遞歸圖確定了相應閾值參數(shù)的選擇并定性認識了背散射信號結構特征,進而得到各CFRP試樣背散射信號的遞歸定量參數(shù)以量化背散射信號非線性。遞歸定量分析結果表明厚截面CFRP背散射信號遠表面部分存在極大不平穩(wěn)性。(5)針對遠表面背散射信號不平穩(wěn)性,對超聲信號的長期行為進行統(tǒng)計分析并使用統(tǒng)計RQA值進行描述。設計對比實驗,在同一塊厚截面復合材料中,分別在無缺陷區(qū)域和有缺陷區(qū)域進行重復測量得到若干組信號,以組為單位進行RQA分析。對每組RQA變量進行統(tǒng)計可得到信號不平穩(wěn)性的表征量:RQA中位數(shù)及四分位距。通過有無缺陷區(qū)域統(tǒng)計RQA值的對比分析可知缺陷產(chǎn)生的影響,據(jù)此可有效判別遠表面人工缺陷的存在。(6)對超聲檢測設備參數(shù)與遠表面背散射信號間的關系進行實驗研究,并使用局部軌跡預測去噪方法對信號進行處理。使用不同采樣頻率采集設備及不同中心頻率的超聲探頭對厚截面CFRP進行檢測,研究不同實驗條件下所得背散射信號的相空間重構參數(shù)的差異。分別使用時域平均方法、小波閾值去噪方法及基于局部軌跡預測的去噪方法對背散射信號進行處理,結果表明局部軌跡預測去噪方法同小波閾值去噪方法均可有效去除噪聲、還原系統(tǒng)結構,但兩種方法對背散射信號成分的去除有不同側重。(7)正文末尾部分對全文進行總結,針對所提出的方法的不足進行分析,并對未來可能的研究方向進行展望。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TB302.5
【圖文】：

層狀ＣＦＲＰ通常由纖維層和樹脂層以一定的鋪層方式堆疊固化而成。纖維層由一定體逡逑積分數(shù)的碳纖維和樹脂混合而成，樹脂層在纖維層之間起粘合連接作用。具有不同鋪層方逡逑向的ＣＦＲＰ典型結構如圖２．１所示逡逑邐纖維層逡逑樹脂層逡逑yU歐》恀棚遍焌：逡逑邐樹脂層逡逑纖維層逡逑邐樹脂層逡逑邐樹脂層逡逑邐纖維層逡逑樹脂層逡逑次徽徽漏桯＾逡逑邐樹脂層逡逑圖２．１典型ＣＦＲＰ結構示意圖逡逑其中，纖維層厚度一般在０．１－０．３ｍｍ之間，樹脂層厚度一般在０．００３－０．０１ｍｍ之間。纖維逡逑１６逡逑

由于樹脂層與纖維層聲阻抗不同，又由于不同方向的纖維層的存在導致材料特逡逑性的變化，超聲波將會經(jīng)歷復雜的反射和透射過程而最終被采集設備記錄下來。典型的超逡逑聲波信號如圖２．２所示，由脈沖反射法得到。逡逑｜｜｜卜⑶逡逑．ｒ邋＇逡逑－ｆ邐Ｉ邐Ｉ邐＇邐Ｉ邐＇邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑０邐２邐４邐６邐８邐１０逡逑時間（｜ｉｍ）逡逑圖２．２典型ＣＦＲＰ脈沖反射法超聲信號示意圖逡逑圖中的信號是對一塊厚度為ｌ0ｍｍ、纖維層數(shù)８０層的厚截面ＣＦＲＰ，以中心頻率為逡逑７．５ＭＨｚ的超聲平探頭進行脈沖反射法得到的信號。從圖３．２中可以看出，超聲波信號可逡逑以分為幾個部分：前表面回波、底面回波、背散射信號。觀察背散射信號時域特征，可以逡逑發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)前表面快速衰減的高幅值信號及后半段幅值較小的信號。從信號時頻分析圖上可逡逑以看出，前半部分信號能量大、頻率高，甚至高于探頭中心頻率。這是當纖維層厚度與超逡逑聲波波長滿足一定條件時，在材料距離探頭近表面處還會產(chǎn)生超聲波共振，在記錄得到的逡逑超聲波信號的時域和頻域中出現(xiàn)共振特征。后半部分背散射信號能量低、幅值小，在時頻逡逑圖中已不能清晰地表現(xiàn)其特征，與前半部分共振信號差異較大，主要由散射噪聲、非聲學逡逑噪聲及可能存在的缺陷反射、散射信號組成。逡逑２．２．２平面聲波在粘滯介質中特性逡逑聲波在粘滯介質中傳播時

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 陳振時;;英漢誤譯例釋(五)[J];國外鈾金地質;1989年03期

2 黃瑞東;;海面散射信號的分形特性與海面目標的探測[J];電波與天線;1996年02期

3 本刊訊;;中心“利用飛機散射信號定位地面干擾源研究”取得進展[J];中國無線電;2014年08期

4 黃凱;他得安;王威琪;Lawrence H.Le;;準規(guī)則生物組織超聲背散射信號的仿真[J];儀器儀表學報;2008年09期

5 馬浪;郭建中;劉波;朱錚宇;;超聲換能器焦區(qū)內軟組織背散射信號頻移與散射子粒徑的相關性研究[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2011年03期

6 張益強;楊東凱;張其善;張伯川;胡榮磊;李紫薇;;GPS海面散射信號探測技術研究[J];電子與信息學報;2006年06期

7 譚海峰;李景春;;利用飛機散射信號查找干擾源的定位算法[J];無線電通信技術;2009年02期

8 張良杰，汪文秉;基于BP網(wǎng)絡模型的幾種新型時域散射信號獲取技術[J];電子學報;1994年10期

9 侯黎;喬亮;他得安;;超聲背散射信號評價皮膚燒傷程度的可行性研究[J];聲學技術;2013年01期

10 王運飛,王經(jīng)瑾,劉國治;時頻分析在超寬帶散射信號處理中的應用[J];強激光與粒子束;2003年07期

相關會議論文 前10條

1 邢貞貞;韓立國;韓利;崔杰;;一種適用于小尺度斷裂的散射信號分析方法[A];中國地球物理·2009[C];2009年

2 林俊軒;王寧;;強背景噪聲中提取海底逆散射信號[A];2004年全國水聲學學術會議論文集[C];2004年

3 黃凱;他得安;王威琪;;松質骨超聲背散射信號頻移參數(shù)成像[A];2008年全國聲學學術會議論文集[C];2008年

4 王愛玲;郭建中;任述科;張晗;;換能器的中心頻率對超聲背散射信號頻移量的影響[A];2011'中國西部聲學學術交流會論文集[C];2011年

5 邵士勇;姚永幫;饒瑞中;;基于圖像的纖維狀微顆粒的形狀和散射信號檢測[A];第八屆全國顆粒制備與處理學術和應用研討會論文集[C];2007年

6 劉延文;張傳亮;李紹輝;李玉蓮;;分子散射信號對星載多普勒測風激光雷達Mie通道風速反演的影響[A];第35屆中國氣象學會年會 S21 衛(wèi)星氣象與生態(tài)遙感[C];2018年

7 馬小東;張鳳元;楊東凱;楊威;宋學忠;;星載GNSS海面散射信號功率分析與接收方法研究[A];第六屆全國信號和智能信息處理與應用學術會議論文集[C];2012年

8 孫修立;張海燕;;蘭姆波散射信號損傷成像方法[A];中國聲學學會2009年青年學術會議[CYCA’09]論文集[C];2009年

9 王青梅;;利用激光雷達的多次散射信號識別降雨[A];中國氣象學會2005年年會論文集[C];2005年

10 邵建兆;王蓮芬;吳傲;;激光散射信號離軸相關檢測的仿真與分析[A];2008年激光探測、制導與對抗技術研討會論文集[C];2008年

相關博士學位論文 前3條

1 滕國陽;碳纖維復合材料超聲背散射信號遞歸分析及缺陷檢測研究[D];浙江大學;2019年

2 吳娟;球形顆粒光散射差異性的研究和散射特征的辨識[D];哈爾濱理工大學;2017年

3 劉成成;超聲背散射信號與松質骨特性參數(shù)關系的研究[D];復旦大學;2014年

相關碩士學位論文 前10條

1 何曉晨;超聲背散射信號遞歸定量分析無損表征CFRP孔隙率研究[D];大連理工大學;2018年

2 高雪;微弱光散射信號的處理技術研究[D];長春理工大學;2017年

3 韋瑋;無源定位中散射信號提取與陣列處理架構研究[D];華中科技大學;2007年

4 陳慶;利用飛機散射信號定位地面干擾源的干擾監(jiān)測能力研究[D];北京郵電大學;2016年

5 陳洪磊;基于寬頻信號的板中缺陷檢測[D];上海應用技術學院;2015年

6 華大成;彈性圓柱體的聲散射研究[D];中國海洋大學;2010年

7 萬曉燕;金納米顆粒標記呼吸道合胞病毒入侵細胞的實時暗場光散射成像分析[D];西南大學;2015年

8 王立娟;光信號在微生物區(qū)分與藥物抗菌活性研究中的應用[D];西南大學;2008年

9 鄒婷;粒子計數(shù)傳感器光散射信號幅度分布的理論與實驗研究[D];南京理工大學;2015年

10 龍婧;X射線納秒時間分辨探測器系統(tǒng)研究[D];南華大學;2017年

本文編號：2730715