文摘

介绍无滞后冲击造成的分层可视化的互相关(ZLCC)成像计算使用完全非接触激光扫描超声波场。该技术可以瞬时可视化无形的分层复合材料没有任何传感器的安装。此外,它提供了健壮的损伤诊断没有与基线数据从目标结构的破损状况,从而能够减少假警报。首先,内部delamination-induced驻波的存在证明了利用有限元分析。然后,ZLCC如何物理隔离和可视化只有驻波超声波场特性的测量。实验验证提出的技术,一个完全非接触激光超声成像系统,介绍了激光扫描和内部分层可视化的石墨纤维复合板。实验结果显示,隐藏成功并自动分层可视化和量化无需任何用户干预。

1。介绍

复合材料已得到普及各种航空航天和民用结构和机械领域,因为他们有很多优势,如轻质和高强度比其他现有的材料。例如,相应复合材料总重量的20%以上用于空中巴士380和40%以上用于波音787。然而,这些比金属和复合材料通常有较高的脆性本质上容易受到外部弯曲和剪切力之间的层压层。飞机结构经常是受到这些外部力量如鸟击、循环荷载在在职情况下,和其他的突然的冲击负荷,导致内部层之间的分层。分层检测的最具挑战性的问题是,典型的分层结构表面不能被肉眼观察到,尽管它严重恶化复合结构的强度。因此,大量的无损检测(NDT)技术已被用来解决这个问题。其中一个被广泛接受的无损检测技术是超声波无损检测技术。赵等人进行了全面实验飞机复合材料机翼损伤识别和定位使用锆钛酸铅、钛)传感器阵列(1]。Di Scalea等人研究了监测复合材料翼skin-to-spar联合在一个无人机使用导波获得一双长纤维复合材料(2]。最近,一个等人调查的可行性综合阻抗和导波技术全面的飞机机翼结构的监测温度和外部载荷作用下的变化(3]。

然而,这些传统的方法往往受技术挑战从接触式传感器的使用。首先,空间有限的超声波反应获得传感器安装在多个离散点也许不能实现空间分辨率足够高的检测小初始损伤。第二,损伤定位不得使用空间有限的传感器来完成。第三,安装传感器,电线,和相关的机载数据采集设备不仅增加目标结构的重量,而且还增加了系统的复杂性。此外,对发生故障维修或更换传感器永久安装在目标结构是一个具有挑战性的任务。

克服这些技术的局限性,有较强的非接触无损检测技术被采纳。特别是,完全非接触激光超声成像(他)技术被广泛研究随着新兴损伤检测技术与激光技术的显著发展和相应的测量仪器。他技术的优点是()超声波场构造高时空分辨率图像没有任何传感器安装,提供直观的损伤诊断;()损伤诊断可以不依赖执行基线数据从原始条件获得的目标结构,使其更容易受到假警报由于环境和业务的变化;和(),这是不符合成本效益,快速部署,适用于恶劣的环境,如高温、放射性条件。

与这些优点,许多完全非接触他的技术最近发展。Dhital和李开发一个完全非接触他使用q开关脉冲激光超声技术生成和空气耦合传感器(ACT)的超声测量(4]。等人提出了一个完整的非接触他技术结合q开关脉冲激光超声代和激光多普勒振动计(LDV)超声测量和显示隐藏的裂缝可视化在铝板(5]。这种完整的非接触他系统也用于内部损伤检测复合结构。贾等人提出了一个相邻波减法内部缺陷检测方法在复合材料机翼结构6),和公园等人可视化内部分层复合结构(7]。然后,Harb和人民币也开发了一个完全非接触系统通过集成与LDV超声波代兰姆波表征(8]。然而,快速的发展和计算成本效益的成像技术仍然是必要的。

提出需求,无滞后互相关(ZLCC)成像技术使用完全非接触他的内部分层可视化技术提出了一个复合镀层在这项研究中。为了实现它,超声波与内部分层进行彻底调查利用有限元(FE)方法。基于delamination-induced驻波识别为一个独特的特性代表分层的存在和位置,理论上ZLCC成像技术是发达的孤立和可视化距测量超声驻波分量的波场。最后,该技术是通过可视化实验验证隐藏的分层复合使用他系统板。

本文组织如下。首先,驻波的存在所产生的内部分层调查通过有限元分析部分2。然后,ZLCC成像技术在理论上是开发的部分3。节4,目标复合试样内部分层和他描述系统的实验验证。相应的实验结果部分所示5。最后,本文总结部分的简短讨论6。

2。Delamination-Induced驻波

首先,驻波的存在引起的内部分层复合结构是通过有限元模拟研究。为了简化和澄清问题,兰姆波传播模拟假设沿复合镀层。注意,激光产生超声波传播沿薄平板状结构最终使兰姆波激发激光的远场源(9]。2 d复合板模型内部分层如图1。二维平面应变模型与节点双线性四边形(CPS4R)元素是由使用有限元分析/标准6.11 (10]。二维复合材料板模型的尺寸为210×3毫米²的维度,APC 850型压电陶瓷11)是10×0.508毫米²如图1。压电陶瓷用于兰姆波的一代,和相应的反应是衡量节点在分层可视化的时域波与分层的交互。总结了复合镀层的材料属性表1。由于二维平面应变模型用于模拟,只被认为是由于symmetricity四个参数。

精确调查兰姆波相互作用与分层的入口和出口,内部分层建模在不同宽度如图1。宽度不同分层建模使用double-node [10],double-node的约束条件两个分层接口定义如下。对于正常行为,分层表面压力只有当他们接触传播,但不允许渗透在每个约束的位置。切向的行为,两个表面之间的相对滑动是预防,只要相应的正常接触约束是活跃的。分层的宽度是多种多样的,从0到20μm如图1。压电陶瓷在顶部表面用于生成兰姆波通过应用的输入波形7-cycle toneburst驱动频率为100赫兹的信号。保证适当的仿真结果,应精心设计的空间和时间分辨率。0.5×0.5毫米的筛孔尺寸²和20 MHz的采样率是由下面的空间离散化规则(12]: 在哪里,,代表和定向元素维度和最短波长在给定频率,分别。表示时间间隔。

代表平面外的兰姆波传播速度52μ60年代,μ65年代,μ70年代,μ如图2。因为基本反对称的大小()模式是主导而不是基本对称的()模式在这个频率范围,图的反应2主要展示兰姆波模式。当沿着复合板模式传播遇到内部分层,一部分是被困在分层,通过分层和其他传播。有趣的是看到海浪反射的分层入口很难观察到。另一方面,分层退出作为主要反射一旦电波进入分层边界。因此,分层的陷波经过多次反射边界,产生驻波在分层。这些驻波可以有效地用于分层存在的有力证据。

3所示。无滞后互相关(ZLCC)成像

ZLCC概念首先由朱等人提出了快速破坏成像基于时间反转原理(13]。为后续研究,ZLCC概念已经应用在复合损伤诊断(14)和金属(15)结构。本节解释如何ZLCC从测量波场计算。特别是,ZLCC和驻波之间的关系造成的冲击造成的分层是彻底调查。作为第一步,总超声波场()以时空()领域感兴趣的目标区域。在这里,通常包括波传播、波与分层的互动,和测量噪音。一次获得空间的兴趣点,它可以分解为(和落后)传播波使用频率-波数()域分析5,7,16,17]。在域转换成使用三维傅里叶变换域 在哪里的超声波场吗域。和分别是波数和角频率。和表示空间坐标。

现在,窗口功能,和,介绍了(和落后)传播波分解在域 在哪里 接下来,在频率-空间合成波()域使用以下二维傅里叶反变换得到: 在哪里和向前和向后的波场吗域。

然后,ZLCC值在每个空间点得到使用 的上标表示共轭复数。注意,ZLCC计算的域是更有效的比域计算降低计算成本。驻波之间的关系产生机制和内部分层描述的部分2。分层边界内多次反射暂时使驻波,这意味着两个不同方向波具有相同的波长和频率在分层边界条件。这些条件满足ZLCC条件这两波的身体意味着相似性指标是zero-delayd或同相15]。因此,分层边界内的ZLCC值会突然增加而完整的地区。

接下来,一个额外的去噪过程有必要删除指测量噪声引起的假警报。去噪过程的本质是一个阈值(TR)计算极值统计(18是关于ZLCC的值。ZLCC值的概率密度函数估计威布尔分布拟合ZLCC人群,和TR对应于一个片面的95%置信区间。最后,ZLCC超过TR强调的价值观冲击造成的分层没有噪声组件。这种去噪过程身体意味着应该自动分层可视化,并强调在最后ZLCC图像分层是否足以产生驻波测量噪声水平。

4所示。实验描述

实验验证提出了分层可视化技术,一个完整的非接触他系统(7本文首先介绍]。因为他系统可以生成和测量通过扫描完全非接触激光照射到目标表面,不需要超声换能器的安装。

图3显示了他系统组成的一个q开关Nd: Yag脉冲激光超声代,LDV对超声波测量、激光扫描检流计,和一个控制单元。整体工作原理如下。首先,创建虚拟网格点在目标表面上使用一个内置的数码相机,和激发的序列和遥感扫描点是预先确定的。然后,控制器在控制单元发出触发信号Nd: Yag脉冲激光器火激发激光光束通过电流计第一个规定的激发点聚焦透镜。相同的触发信号同时传输到LDV激活数据采集。然后,响应信号测量在指定的测试点,传输,存储在控制单元中。接下来,控制单元将激发或传感激光自动到下一个扫描点通过发送控制信号到相关的检流计。重复规定的超声激励和遥感在网格点,可以在构造目标表面。

q开关Nd: Yag脉冲激光器工作在这个系统有532 nm波长和3.7 MW峰值功率和生成一个脉冲输入8 ns的重复频率脉冲持续时间20赫兹。检流计有5730°的最大转速/ s,角分辨率,以及一个允许扫描角±21.8°。最初的电流计发出的激光束直径约4毫米。因为这束大小是相对较大的实现高空间分辨率,焦透镜安装在正面电流计调整光束大小的0.5毫米光学焦距的2 m。超声波产生的热膨胀无穷小区域由大功率激光加热。功率、激光脉冲持续时间和激光光束大小需要精心设计,因为高功率密度的激光束超过一定阈值将导致烧蚀现象(19]。

超声波响应测量,一个商业扫描LDV (Polytec埃因霍温- 400 - m4)和一个内置的电流计autofocal镜头中使用这个系统(20.]。用于LDV激光源氦氖激光的波长633 nm,和最优测量距离是重复自己(毫米)表示一个整数的数字。然后,最低autofocal透镜的焦距是0.35毫米,和许用扫描角范围和扫描速度±20°、2000°/ s,分别。这个1维LDV测量平面外的速度范围为0.01μm / s 10 m / s目标表面基于光的多普勒频移效应。因为信号反射的激光束的强度目标表面高度取决于表面状况,常常需要一个特殊的表面处理改善返回的激光的反射率。

控制单元由一个个人电脑(PC),控制器,速度译码器的最大速度灵敏度1 mm / s / V, 14-bit数字化仪,最多350 kHz的采样频率。控制器发出触发信号发射激发激光和同时启动数据收集。此外,控制器产生控制信号的目标激励和传感激光所需的目标位置。解码器速度记录平面外的速度通过计算激光束之间的频率变化反映了从目标表面和激光束的引用。然后,测量信号处理在电脑。

图4显示了目标维度的复合板275×275×1.8毫米³。IM7石墨纤维的复合材料板由977 - 3树脂材料,由12层的上篮(0 /±45/0 /±45)。然后,复合板受到影响,导致内部分层。创建的影响表面的分层是无形的,但部分破碎纤维可以观察到相反的表面表面如图的影响4。表面上的激光扫描执行影响,面积50×50毫米²由激发激光扫描2毫米的空间分辨率。然后,相应的超声波测量LDV在20毫米除了扫描区域的左边缘,如图4。距离Nd: Yag激光扫描超声波代和LDV超声波测量目标标本2米和1.6米,分别。Nd: Yag激光的重复率、峰值功率,和激光光束的大小设置为20赫兹,1兆瓦,分别和4毫米。然后,LDV的采样率是5.12 MHz,速度测量的灵敏度设置为10 mm / s / V。回射的磁带被放置在传感点的目标样本来提高传感激光的反射率。响应信号测量为每一个激发点50倍,平均在时域,bandpass-filtered 10 kHz和300 kHz截止频率来提高信噪比。

5。实验结果

一次收集所有扫描点的复合镀层使用他的系统图像是通过组装数据扫描区域内。图5显示了代表的快照26.60与分层得到的复合镀层μ年代,34.80μ年代,和43.01μ年代。在这里,每个快照的振幅归一化对其最大价值。很明显观察到入射波传播从左到右是被与内部分层,交互和其他主要是通过分层而不是反射的分层。实验观测与数值期望部分中描述2。

随后,是改变了使用三维傅里叶变换(2),和获得使用(3)。对应的波数图显示在图6。它可以很容易地观察到成功分解成和。主要注意,海浪传播从左到右的检查部位,观察图5。

为了更精确地研究波分解过程,分解和在域转换为和在域,分别使用以下3 d傅里叶反变换: 在(7),和只包含向前和向后传播波。计算出的和图片为26.60μ年代,34.80μ年代,和43.01μ所示的数据7(一)和7 (b),分别。入射波传播通过分层明显观察到在图7(一)而只有从分层边界反射波图所示7 (b)。图的分解波场7显示,该波分解过程运行良好。

根据验证结果,随后ZLCC值计算使用(6)。然后,去噪过程中描述的部分3应用于所有ZLCC值。在这里,TR被计算为0.578。通过将所有ZLCC值超过TR空间的兴趣点,得到如图的ZLCC映像8(一个)。虚线圆约10毫米直径显示了实际分层大小thermographic估计的图像如图8 (b)。通过比较相同的虚线圆图8(一个)与8 (b),这是证实该ZLCC成像技术对隐性分层定位精度高,大小估计。ZLCC图像表明,只有分层是识别,本地化,并量化之前没有任何比较的基线数据从原始获得复合镀层的条件,这样就可以减少操作和环境变化,避免造成的假警报模式比较与先前获得的超声波场图像的原始条件目标结构(21]。

6。结论

本研究提出了一个完整的非接触激光超声扫描无滞后互相关(ZLCC)成像技术冲击造成的分层可视化。特别是波与无形的分层互动正是利用有限元分析方法,和相应的驻波是由ZLCC可视化成像。实验验证使用一个完整的非接触激光超声成像系统显示,冲击造成的成功没有依赖于基线数据可视化分层,从而最小化假损坏警报由于操作和环境条件的变化。此外,完全自动化的损伤诊断是实现无需任何用户干预。

虽然ZLCC成像技术是有前途的工具,隐藏的分层识别、定位、量化,仍有一些技术挑战与传感领域的应用:过程(),因为所需的高空间分辨率、数据收集可能需要较长时间;()目标表面的特殊待遇常常需要增强传感激光的反射率;和()可以有眼睛与类相关安全问题4激发激光虽然二班传感激光是安全的。事实上,这些技术障碍是关键问题得到解决之前提出的技术应用于各种实际结构。高空间分辨率超声相机等设备改进或高性能多点传感激光干涉法规定的限制可能是有前途的解决方案。进一步的研究是必要的来解决这些问题。

信息披露

任何意见、发现和结论或建议用这种材料是作者和不一定反映资助机构的意见。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作支持基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由科技部,ICT和未来规划(2015 r1c1a1a01052625),和实验设备被孙胡恩教授韩科院的支持,韩国。