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基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

作　者: 牟云飞
导　师: 林莉
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料无损检测与评价
关键词: 碳纤维增强复合材料随机介质随机孔隙模型时域有限差分法孔隙率超声衰减系数
分类号: TB302
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 133次
引　用: 4次
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内容摘要

孔隙是碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)中最常见并且对使用性能有重要影响的缺陷。准确可靠的孔隙率(P=1%～5%)无损检测技术成为航空航天领域的迫切工程需求。超声衰减法原理明确、实现简单而且受纤维含量等的影响较小,在孔隙率无损检测应用中受到较多关注。尽管国内外研究学者围绕CFRP孔隙率衰减法检测的实验测试及理论分析开展了大量工作,但至今尚未建立能用于工程实践的孔隙率无损检测技术。其中重要原因之一,在于未能建立能够客观描述含孔隙复合材料弹性性能的理论模型,难以给出孔隙与超声波散射衰减系数之间的本质相关性。现有理论模型在计算超声散射衰减时通常将孔隙简化为规则的球形和/或圆盘形,再推导波动方程的解析解。此法虽然具有简单、快速等特点,但其引入的假设偏离了实际复合材料中孔隙的形貌特征,导致理论分析与试验测试结果之间存在明显偏差。为研究CFRP孔隙与超声波散射衰减系数之间的本质相关性,减小理论值与实验值间的偏差,本文从改善CFRP孔隙的数学描述手段入手,建立了以随机过程为理论基础、以实测CFRP孔隙统计数据为依托的随机孔隙模型。该模型源于地质学中的随机介质理论,本文利用极值搜索法对其进行了适应性改造,并利用正交试验分析了各构造参数对随机孔隙模型结果的影响,进而利用实测CFRP孔隙统计数据为参照,对重要构造参数(自相关长度a与b、自相关长度比r=a/b及分区边长D)进行了参数优化。由于采用了实测孔隙统计数据,随机孔隙模型较传统方法,能够更准确地利用数学手段描述CFRP孔隙特征,这为研究CFRP孔隙对超声波的散射作用提供了理论支持。本文利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD),对基于随机孔隙模型生成的240个CFRP截面(孔隙率P=0.03%～4.96%)进行了数值计算,得到了超声衰减系数与孔隙率间的理论关系曲线。在实验方面,利用底板反射法对孔隙率P=0.03%～4.96%的预浸料热压成型碳纤维单向增强环氧树脂基复合板进行了超声衰减系数的测量,得到了超声衰减系数与孔隙率间的实验关系曲线。理论计算与实验测试的结果均表明,超声衰减系数随孔隙率的增加而增加,且在P=0.5%前后分别表现为一次及二次线性关系。这也同时表明随机孔隙模型能够很好地表征CFRP的整体弹性性能及由孔隙引起的局部弹性微扰。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-24
  1.1 碳纤维增强复合材料  8-9
  1.2 碳纤维增强复合材料的孔隙率  9-13
    1.2.1 碳纤维增强复合材料孔隙的形成原因  9-10
    1.2.2 碳纤维增强复合材料孔隙率的定义  10
    1.2.3 孔隙率对碳纤维复合材料性能的影响  10-13
  1.3 超声衰减法检测碳纤维增强复合材料孔隙率  13-23
    1.3.1 Stone和Clarke经验公式  13-14
    1.3.2 Martin理论模型  14-16
    1.3.3 Martin理论模型的改进  16-22
    1.3.4 现有理论模型的不足  22-23
  1.4 本课题的引入  23-24
2 CFRP中孔隙的数学描述  24-41
  2.1 CFRP中的孔隙  24-30
    2.1.1 试样  24-25
    2.1.2 观察方法  25-26
    2.1.3 数据统计方法  26-28
    2.1.4 CFRP中孔隙特征分析  28-30
  2.2 CFRP中孔隙的传统数学描述  30
  2.3 基于随机孔隙模型的CFRP孔隙数学描述  30-41
    2.3.1 随机过程  30-32
    2.3.2 随机介质  32-37
    2.3.3 随机孔隙模型  37-39
    2.3.4 随机孔隙模型总体构造流程  39-41
3 CFRP孔隙率超声衰减法检测理论研究  41-50
  3.1 超声波的传播衰减  41-43
    3.1.1 引起衰减的原因  41-42
    3.1.2 超声衰减系数  42-43
  3.2 CFRP超声散射衰减的计算  43-50
    3.2.1 传统计算方法  43
    3.2.2 数值计算  43-44
    3.2.3 时域有限差分法  44
    3.2.4 固体中声场的数值计算  44-46
    3.2.5 数值计算稳定条件  46-47
    3.2.6 边界条件及参数设置  47-50
4 CFRP孔隙率超声检测实验研究  50-55
  4.1 实验原理  50-52
  4.2 实验样品及其孔隙率统计  52
  4.3 实验装置  52-53
  4.4 探头的选择  53-55
    4.4.1 频率选择  53
    4.4.2 聚焦或平探头的选择  53-54
    4.4.3 晶片尺寸  54-55
5 理论计算及实验测试数据分析  55-57
结论  57-58
参考文献  58-61
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  61-62
致谢  62-63

基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

内容摘要

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