一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统。

背景技术

复合材料具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好、疲劳耐久性优异、可设计性强以及可大规模整体成型等优点，已广泛应用于航空航天、汽车、海洋和生物医学等领域。由于越来越多的被应用于主承载结构中，复合材料的厚度也在不断增大，导致其在制造和服役期间产生基体开裂、纤维断裂、界面脱粘和分层等缺陷的概率增大。针对材料内部缺陷的无损检测方法包括X射线、电子计算机断层扫描(CT)、电涡流、热成像、超声等，其中超声检测由于具有成本低、安全无辐射、检测方便等特点得到了广泛的应用。超声无损检测通过在材料内部产生超声脉冲，分析声波反射或透射信号得到缺陷信息，也可通过线阵或面阵探头采集全矩阵数据，结合全聚焦算法对缺陷进行可视化成像。

现有的全聚焦成像算法能够很好的对各向同性材料进行缺陷检测，而对于非均质各向异性的复合材料，运用全聚焦算法进行缺陷成像需要修正声波沿不同方向传播的波速差异引起的波达时间差异。

发明内容

本发明提供了一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法，包括依次执行以下步骤：

步骤1：基于递归刚度矩阵法对声波在复合材料层合板周期性铺层中的传播过程进行解析建模；

步骤2：通过弗洛凯波理论对复合材料层合板的周期性铺层单元进行动态均质化建模，得出不同铺层方向的复合材料层合板对应的可均质化范围；

步骤3：根据均质各向异性材料中波矢的频散效应求出准纵波的能量传播速度；

步骤4：利用非均质各向异性复合材料在可动态均质化范围内的能量传播速度进行波达时间修正，从而对各种铺层方向的复合材料层合板进行超声全聚焦缺陷成像检测。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，对于任意铺层的复合材料层合板结构，根据材料参数以及铺层信息得到最小周期单元的全局刚度矩阵，具体如下：

如图1所示，将复合材料层合板第j层单元的位移矢量u

其中，a表示幅值，n＝1,2,3表示分波，±表示沿厚度方向z轴的正负方向，

第j层上下表面的位移-牵引力关系式为：

其中P

运用递归算法得到J层单元结构的全局刚度矩阵K

其中，

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，通过求解弗洛凯波特征方程得到弗洛凯波波数，然后遍历波的入射角度以及激励频率，分别求出弗洛凯波中稳定传播的波的个数，即实数解的个数，从而找出所求的均质化区域，具体如下：

对于周期性铺层复合材料中的最小单元，其弗洛凯周期性条件是：

其中，β是弗洛凯波数，d是单元厚度，I(6×6)是单位矩阵，下标0表示单元上表面，J表示单元下表面；考虑由J层任意方向的各向异性单层组成的层合板最小单元，其全局刚度矩阵K

其中，

联立以上两个式子，得到弗洛凯波特征方程：

在区间-π＜βd＜π内，弗洛凯波特征方程关于弗洛凯波数β有六个解，其中复数解代表衰减波，实数解代表稳定传播的波，各向异性材料对应弗洛凯波特征方程的解可分为正负两组，分别表示沿厚度z轴正方向和负方向传播的弗洛凯波的波数。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，在均质各向异性材料中，声波沿不同方向的传播速度呈现各向异性，声波实际的能量传播速度可由频散关系式得到，频率ω和波矢k之间的频散关系表示为G(ω,k)＝0或G(ω,k,θ)＝0,显性表示为ω＝W(k)或ω＝W(k,θ)，能量传播速度c

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，对于任意像素点(x,z)，其像素值I(x,z)为：

其中，n是阵元个数，h

本发明还公开了一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像系统，包括：

解析建模单元：用于递归刚度矩阵法对声波在周期性铺层复合材料层合板中的传播过程进行解析建模。

均质化建模单元：用于通过弗洛凯波理论对复合材料层合板进行动态均质化建模，得出不同铺层复合材料层合板对应的可均质化范围。

求解单元：用于根据各向异性材料中波矢的频散效应求出准纵波的能量传播速度。

成像检测单元：在传统的超声全聚焦算法的基础上，根据上述求解单元得到的能量传播速度曲线进行波达时间修正，从而实现各种铺层方向的复合材料层合板的超声全聚焦缺陷成像检测。

在所述解析建模单元中，对于任意铺层的复合材料层合板结构，已知其单层纤维的材料参数以及铺层信息，通过递归刚度矩阵法和弗洛凯波周期性条件得到最小周期单元的全局刚度矩阵。

在所述均质化建模单元中，通过求解弗洛凯波特征方程得到弗洛凯波波数，然后遍历波的入射角度以及激励频率，分别求出弗洛凯波中稳定传播的波的个数，即实数解的个数，从而找出所求的均质化区域。

在所述求解单元中，在动态均质等效过后的均质结构中，声波沿不同方向的传播速度呈现各向异性，各个方向的能量传播速度可通过波矢的频散效应求解得出，根据能量传播速度大小即可得到声波在不同路径上的传播时间。

在所述成像检测单元中，将声波从激励单元到像素点，从像素点到接收单元两段路程的传播时间基于能量传播速度曲线进行求解，即在传统的超声全聚焦成像算法的基础上，针对不同铺层方向的复合材料，根据动态化均质得到的能量传播速度曲线对传播时间进行修正，从而达到改善非均质复合材料全聚焦成像效果的目的。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统，通过结合递归刚度矩阵法和弗洛凯波理论构建动态均质化模型，获取复合材料铺层结构和激励信号中心频率下不同传播方向的声速，在全聚焦算法中修正由于声速差异导致的波达时间差异，实现非均质各向异性复合材料中损伤的可视化成像，相比传统的不具备波达时间修正的全聚焦算法，本发明提高了损伤成像精度和信噪比。

附图说明

图1是本发明复合材料层合板结构示意图；

图2是本发明复合材料层合板坐标系示意图；

图3是本发明弗洛凯波通带和阻带图(白色：2个稳定传播的波，通带；灰色：1个稳定传播的波；黑色：只有衰减波，阻带)；

图4是本发明不同频率声波在[0/90]铺层结构复合材料中传播的相速度和能量传播速度的各向异性示意图；

图5是本发明用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法流程图。

具体实施方式

如图5所示，本发明公开了一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统，通过解决复合材料铺层结构和激励信号中心频率引起的不同传播方向的声速差异导致的时间补偿问题，实现非均质各向异性复合材料的可视化成像。

一般来说，复合材料会采取周期性的铺层方式以获得期望的最佳材料性能，而不同的铺层方式会使得复合材料层合板变成非均质的结构，从而在层间导致复杂的声波反射和透射现象。根据弗洛凯波动态均质化理论，从波的传播角度，非均质的周期性结构在特定的激励频率、一定的传播角度范围内可被视为均质的结构。

1.声波在周期性铺层复合材料层合板中传播的解析建模

根据层刚度矩阵，运用递归算法得到全局刚度矩阵：

全局刚度矩阵可用于描述整个复合材料层合板上下表面的位移-牵引力关系。给定单层纤维的材料系数以及层合板的铺层方向，通过递归刚度矩阵法就能求出复合材料层合板的全局刚度矩阵。

2.求解弗洛凯波特征方程

在区间-π＜βd＜π内，方程关于弗洛凯波数β有六个解，其中复数解代表衰减波，实数解代表稳定传播的波。各向异性材料对应特征方程的解可分为正负两组，分别表示沿z轴正方向和负方向传播的弗洛凯波的波数。

3.求解可动态均质化范围

对于任意铺层的复合材料层合板结构，已知其单层的材料参数以及铺层信息可以得到最小周期单元的全局刚度矩阵，继而求解弗洛凯波特征方程得到弗洛凯波波数，遍历波的入射角度以及激励频率，分别求出弗洛凯波中稳定传播的波的个数，即实数解的个数，据此便能找出所求的均质化区域。

例如，铺层方向为[0/90]

图3所示的区域可以分为三部分：

(1)均质化区域；该区域对应的入射角度(低于θ

(2)部分均质化区域；对应的入射角度(高于θ

(3)不可均质化区域；该区域内没有稳定传播的波，不能被均质化。

通过动态均质化，任意铺层方向的复合材料均能在一定的入射角度和激励频率范围内被视为均质结构，从而简化了声波在各向异性材料中的传播过程，为后续全聚焦成像提供了很大的便利。

4.求解均质各向异性结构的能量传播速度曲线

在均质各向异性材料中，根据波矢的频散效应求出声波沿不同方向的能量传播速度。铺层结构为[0/90]，厚度125um的复合材料层合板中声传播的相速度和能量传播速度可通过上述方法求出，如图4所示。

5.超声全聚焦成像

利用非均质各向异性复合材料在可动态均质化范围内的能量传播速度曲线对激励单元-成像点-接收单元这一路径的传播时间进行修正，从而对各种铺层方向的复合材料层合板进行超声全聚焦缺陷成像检测。

综上所述，对于非均质各向异性的复合材料层合板，本发明首先基于递归刚度矩阵法对声波在层合板中的传播过程进行了解析建模，然后通过弗洛凯波理论对复合材料层合板进行动态均质化建模，可得出不同铺层的复合材料对应的可均质化范围，再根据均质各向异性材料中波矢的频散效应求出准纵波的传播速度，结合实验得到的全矩阵捕捉数据，通过改进全聚焦成像算法便实现了非均质各向异性复合材料层合板的可视化检测。

本发明的有益效果：

本发明公开的一种用于复合材料的动态均质化超声全聚焦缺陷成像方法及系统，通过结合递归刚度矩阵法和弗洛凯波理论构建动态均质化模型，获取复合材料铺层结构和激励信号中心频率下不同传播方向的声速，在全聚焦算法中修正由于声速差异导致的波达时间差异，实现非均质各向异性复合材料中损伤的可视化成像，相比传统的不具备波达时间修正的全聚焦算法，本发明提高了损伤成像精度和信噪比。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。