本文關鍵詞：航空泡沫芯材及夾層結構的太赫茲無損檢測研究

  更多相關文章： 太赫茲無損檢測 太赫茲時域脈沖 航空泡沫芯材 泡沫夾層結構 超分辨率重建

【摘要】：先進泡沫芯材,如聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫、航空級聚氯乙烯(Polymethacrylimide,PVC)泡沫,以其全閉孔、比強度高、高延展性、易設計、穩(wěn)定、兼容及阻燃性好等在多個高科技領域的重要部件得到應用。然而,在生產、服役過程中,泡沫芯材及夾層結構難免出現各種缺陷,造成安全隱患。因此,發(fā)展無損檢測探傷技術對確保泡沫芯材及夾層結構的使用安全非常必要。而泡沫材料的一些特有性質使得經典無損檢測手段效果不佳。太赫茲輻射對泡沫材料的半透明性,使其在該類材料的無損檢測方面潛力巨大,與傳統(tǒng)技術形成互補。對于相關技術的研究,在國內外各大研究機構均有開展,尤其是美國宇航局,在航天飛機事故之后高度重視,但研究對象為聚氨酯(Polyurethane,PU)泡沫的報道較多。先進泡沫芯材的制備與運用,給泡沫材料太赫茲波段的無損檢測帶來了新的研究課題。本文以高性能航空級PMI、PVC泡沫芯材及其夾層結構為研究對象,基于THz-TDS無損檢測技術,對其可能出現的四種主要缺陷展開了系統(tǒng)的研究工作,為該項技術在復合材料無損檢測及探傷方面的實際應用提供了重要的數據及技術基礎。本文主要研究內容及結論如下:(1)航空級先進泡沫芯材的太赫茲光譜實驗研究。本文的研究對象選擇德固賽PMI泡沫及戴鉑高性能PVC泡沫,它們是目前用于航空領域最廣泛的泡沫芯材,以其為芯材的夾層結構性能明顯優(yōu)于蜂窩結構。本文首先對樣本泡沫的太赫茲脈沖傳輸率、折射率及吸收系數等參數進行了分析。0.1~1THz頻帶內10mm厚的51HF/WF,71HF/WF四種型號的PMI泡沫芯材的折射率約為1.0271,1.0379,1.0412和1.0549;戴鉑5mm厚的HT61/81/110/131四種型號的PVC泡沫芯材的折射率約為1.0219,1.0255,1.0375和1.0445。且折射率隨頻率有漸增趨勢但不明顯。研究發(fā)現:泡沫芯材對太赫茲脈沖的吸收系數隨頻率的變化關系與泡沫內部微結構直徑相關,且密度越大折射率越大。(2)泡沫內部微結構直徑大小與入射太赫茲脈沖的損耗關系研究。為進一步驗證泡沫芯材太赫茲光譜特性實驗的研究結果,實驗選擇相同厚度不同泡沫內部微結構直徑的PMI泡沫芯材為樣本�；诿资仙⑸淅碚�,建立散射模型結合泡沫微結構直徑分布函數進行數值模擬,并與實測數據對比。結果表明:泡沫對太赫茲波的能量損耗由散射而非吸收引起。且泡沫芯材的內部微結構直徑越大散射越強烈,損耗越大。這一結論,為下一步分析研究泡沫復合結構的太赫茲無損檢(Terahertz nondestructive testing,THz-NDT)測提供了理論分析基礎。(3)泡沫-鋁結構的THz-TDS無損檢測研究。鋁合金蒙皮是航天領域常用的一種蒙皮形式,本文以泡沫-鋁結構為樣本,基于太赫茲波對極性材料的強反射性,采用THz-TDS反射模式,對預置的脫粘、夾雜、空洞、裂紋四種缺陷進行了無損檢測研究。研究結果表明:鋁板與泡沫間的脫粘程度與主反射波的波前峰的變化有關。脫粘程度越大,波前和無缺陷反射波的延遲越大,通過曲線擬合給出了波前最大值相位與脫粘程度的函數關系。應用該延時特征進行太赫茲脈沖的反射成像,脫粘程度明顯地與此特征相關,脫粘程度的不同在圖像中表現出明顯的灰度變化,能實現44mm的脫粘程度區(qū)分。夾雜和脫粘缺陷的區(qū)分主要依賴主反射波的相位變化,具體與泡沫、夾雜物和空氣相對折射率有關�？斩慈毕莩上裉攸c為中心亮邊緣暗�？斩粗行牡呐菽穸瓤赏ㄟ^時延大小來計算�？斩次恢脤z測結果的影響主要表現在太赫茲波在PMI泡沫表面散射強烈,能量消耗較大,而接近基板的空洞反射更強,成像更清晰,更易被識別。裂紋特征則表現為對反射波振幅的調制。本文通過背景掃描去除噪聲,應用吸收系數成像方法提高了檢測的分辨能力,該方法比其他方法有更好的成像對比度。實驗研究表明:應用THz-TDS反射成像模式對泡沫-鋁結構中隱藏在泡沫內部、泡沫芯材與金屬蒙皮間的多種缺陷檢測有效。(4)玻璃纖維泡沫芯材夾層結構太赫茲無損檢測實驗研究。本文模擬設計了某型號運載火箭泡沫芯材玻璃纖維夾層結構并預置了脫粘、夾雜、空洞及裂紋四種缺陷。在測試前,對預置所用的共擠改性尼龍、玻璃纖維預浸料(Glass fiber prepreg,GFRP)以及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)復合材料的太赫茲光譜特性進行了研究。研究結果表明,玻璃纖維預浸料與PTFE復合材料的折射率十分相近約為2.2,遠大于PTFE涂層的折射率1.3。據此,分析了太赫茲脈沖在脫粘情況下的傳播模式。在對泡沫芯材玻璃纖維夾層結構的預置缺陷無損檢測實驗中,分別采用透射、反射兩種模式,太赫茲波均從無缺陷面入射。研究結果表明:太赫茲脈沖掃描透射成像方式對脫粘、空洞、裂紋三種類型均可檢測,但脫粘檢測效果一般,夾雜缺陷則基本不能識別。反射模式下,擴展時域窗口的特征譜信息,可明顯改善檢測效果�；叶戎道旌笮Ч�,能夠實現脫粘程度、夾雜厚度的區(qū)分,檢測結果能夠滿足量化檢測要求。雖然采用吸收系數成像方法,效果較明顯,但操作相對復雜。因此,空洞和裂紋的檢測更適合THz-TDS透射成像模式。(5)基于小波域隱馬爾可夫隨機場(Wavelet domain hideden Markov random field model,WDHMM)的超分辨率重建(Super resolution reconstruction,SR)算法設計及在太赫茲脈沖無損檢測中的應用。本文研究并設計了WDHMM SR算法。從分析提高分辨率的手段入手,結合THz-TDS成像機理,對低頻及高頻多幅含有缺陷特征信息的圖像建立WDHMM,實現小波系數優(yōu)化,并結合雙二次多項式插值,實現了透射式泡沫玻璃纖維夾層結構的脫粘、夾雜以及直徑3mm的空洞缺陷的成像效果改善。分析結果表明:從直觀效果及客觀評價上看,將WDHMM SR算法應用于THz-TDS的檢測結果均優(yōu)于一般SR重建效果。且該算法省去多次掃描環(huán)節(jié),降低了檢測時間,增強了時效性。本文創(chuàng)新點:(1)對多種型號PMI、PVC航空級泡沫芯料的太赫茲光譜特性進行系統(tǒng)研究,獲得密度與泡沫折射率的關系,以及泡沫內部微結構直徑大小對太赫茲波損耗的影響。(2)詳細分析了泡沫材料內部微結構直徑與太赫茲損耗的關系,并通過米氏散射數值模擬解釋了損耗主要由散射而非吸收引起。(3)系統(tǒng)研究了泡沫鋁結構的蒙皮脫粘程度與波前變化的關系,得到了脫粘程度與無缺陷處時延的函數關系式。應用該特征成像,檢測脫粘區(qū)分精度44mm,突破了常用成像方法的局限。(4)將THz-TDS無損檢測技術應用于泡沫芯材玻璃纖維夾層結構多種缺陷的系統(tǒng)研究。通過調整延時的方法,克服了只檢測主反射波而無法對底層缺陷檢測的難題。(5)提出將WDHMM降噪算法與雙二次多項式插值相結合應用于THz-NDT成像的超分辨率重建。成像效果改善明顯,為提高應用THz-TDS技術對厚泡沫中較小缺陷的檢測能力提供了新的解決思路。
【關鍵詞】：太赫茲無損檢測 太赫茲時域脈沖 航空泡沫芯材 泡沫夾層結構 超分辨率重建
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V250.2
【目錄】：

• 前序4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-18
• 第1章 緒論18-28
• 1.1 研究背景和意義18-21
• 1.1.1 航空泡沫芯材及缺陷類型概述18-19
• 1.1.2 復合材料常用無損檢測方法19-20
• 1.1.3 太赫茲應用于泡沫芯材無損檢測中的優(yōu)勢20-21
• 1.2 國內外研究現狀21-26
• 1.2.1 國外研究現狀22-23
• 1.2.2 國內研究現狀23-25
• 1.2.3 泡沫及其復合結構的太赫茲無損檢測難點25-26
• 1.3 本文主要研究內容26-28
• 第2章 THz-TDS技術理論分析基礎28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 THz-TDS系統(tǒng)工作原理28-30
• 2.3 THz-TDS系統(tǒng)參數理論分析30-31
• 2.3.1 THz-TDS的頻譜分辨率30
• 2.3.2 THz-TDS的頻譜信噪比計算30-31
• 2.4 太赫茲波段材料光學特性參數提取原理31-37
• 2.4.1 透射模式下THz-TDS系統(tǒng)參數提取方法32-36
• 2.4.2 反射模式下折射率的計算36
• 2.4.3 太赫茲波段材料吸收系數的計算36-37
• 2.5 THz-TDS光譜成像方法37-39
• 2.5.1 時域成像方式基本原理37-38
• 2.5.2 頻域成像方式基本原理38-39
• 2.6 THz-TDS成像技術相關參數39-41
• 2.6.1 成像分辨率及景深39-40
• 2.6.2 成像結果的信噪比40-41
• 2.6.3 成像結果的均方差41
• 2.7 本章小結41-42
• 第3章 航空泡沫芯材的太赫茲光譜特性實驗研究42-68
• 3.1 實驗用THz-TDS系統(tǒng)簡介42-44
• 3.1.1 實驗平臺42
• 3.1.2 主要技術參數42-44
• 3.2 先進航空泡沫芯材44-45
• 3.2.1 德固賽PMI44
• 3.2.2 戴鉑HT系列PVC44-45
• 3.3 太赫茲波段泡沫芯材光譜特性實驗45-47
• 3.3.1 樣本準備45-46
• 3.3.2 泡沫芯材的太赫茲波段透射實驗46-47
• 3.3.3 泡沫芯材的太赫茲波段反射實驗47
• 3.4 航空泡沫芯材的太赫茲波段實驗數據及分析47-52
• 3.4.1 PMI泡沫芯材的太赫茲波段實驗數據分析48-51
• 3.4.2 PVC泡沫芯材的THz-TDS透射實驗51-52
• 3.5 航空泡沫芯材太赫茲波段光學常數獲取52-59
• 3.5.1 PMI泡沫芯材的太赫茲波段光學參數提取及分析52-56
• 3.5.2 PVC泡沫芯材的太赫茲波段光學參數提取及分析56-59
• 3.6 散射模擬59-67
• 3.6.1 散射分析59
• 3.6.2 Mie散射基礎理論概述59-62
• 3.6.3 PMI泡沫樣本內部微結構直徑散射分析62-65
• 3.6.4 數值模擬65-67
• 3.7 本章小結67-68
• 第4章 航空泡沫-鋁結構的無損檢測實驗研究68-90
• 4.1 缺陷預置68-71
• 4.1.1 缺陷及損傷分類69
• 4.1.2 泡沫-鋁復合結構人工缺陷預置69-71
• 4.2 泡沫-鋁結構的缺陷特征譜分析71-80
• 4.2.1 脫粘缺陷特征譜分析71-76
• 4.2.2 夾雜缺陷特征譜分析76-77
• 4.2.3 空洞缺陷特征譜分析77-79
• 4.2.4 裂紋缺陷特征譜分析79-80
• 4.3 反射成像結果及討論80-87
• 4.3.1 脫粘缺陷反射成像結果及討論80-81
• 4.3.2 夾雜缺陷反射成像結果及討論81-83
• 4.3.3 空洞缺陷反射成像結果及討論83-85
• 4.3.4 內部及表面空洞的反射成像比較85
• 4.3.5 裂紋缺陷反射成像及討論85-87
• 4.4 本章小結87-90
• 第5章 航空泡沫夾層結構的無損檢測實驗研究90-124
• 5.1 PMI泡沫芯材與蜂窩夾層結構性能比較90-92
• 5.2 缺陷預置92-96
• 5.2.1 夾層結構材料選擇92-93
• 5.2.2 夾層結構設計93-94
• 5.2.3 玻璃纖維夾層結構人工缺陷預置94-96
• 5.3 PMI泡沫夾層結構缺陷的太赫茲無損檢測實驗研究96-118
• 5.3.1 PMI泡沫夾層結構的脫粘缺陷檢測97-105
• 5.3.2 PMI泡沫夾層結構的夾雜缺陷檢測105-108
• 5.3.3 PMI泡沫夾層結構的空洞缺陷檢測108-113
• 5.3.4 PMI泡沫夾層結構的裂紋缺陷檢測113-118
• 5.4 與其他無損檢測方法的檢測結果比較118-121
• 5.5 本章小結121-124
• 第6章 超分辨率算法設計124-158
• 6.1 引言124
• 6.2 本文實驗系統(tǒng)成像分辨率分析124-128
• 6.3 超分辨率圖像重建及THz-NDT中的應用128-133
• 6.3.1 超分辨率圖像重建綜述128-129
• 6.3.2 圖像超分辨重建的理論基礎129-130
• 6.3.3 常用超分辨算法比較及在THz-NDT中的應用130-133
• 6.4 超分辨率算法設計133-142
• 6.4.1 太赫茲時域脈沖掃描成像特征分析133-134
• 6.4.2 WDHMM圖像超分辨率重建算法設計134-140
• 6.4.3 WDHMM超分辨率重建算法在THz-NDT中的應用140-142
• 6.5 量化檢測及誤差分析142-156
• 6.5.1 圖像預處理142-148
• 6.5.2 缺陷定量檢測與數據分析148-150
• 6.5.3 數據分析150-156
• 6.6 本章小結156-158
• 第7章 總結與展望158-162
• 7.1 主要完成工作158-160
• 7.2 本文創(chuàng)新點160-161
• 7.3 技術展望161-162
• 參考文獻162-175
• 作者簡介及攻讀博士期間科研成果175-177
• 致謝177

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