[发明专利]一种确认碳纤维增强复合材料孔隙率与超声衰减系数关系的方法

摘要

一种确认碳纤维增强复合材料孔隙率与超声衰减系数关系的方法，其属于超声无损检测技术领域。首先借助超声C扫描检测方法，选取CFRP层压板一次底面反射回波幅值较为均匀的区域为研究对象，通过连续切片法得到该区域金相照片，并采用中值滤波等方法获得含有真实形貌孔隙的原位图像。进一步利用时域有限差分方法建立真实形貌孔隙模型，经数值计算得到CFRP孔隙率P与超声衰减系数α之间的多值对应关系，并获得实验数据的支持。借助该方法首次确认了P与α之间的多值对应关系，并为深刻阐述CFRP复杂形貌孔隙的超声衰减机理提供了更有效的模型基础。

主权项

一种确认碳纤维增强复合材料孔隙率与超声衰减系数关系的方法，其特征是：依据CFRP孔隙形貌的金相照片建立真实形貌孔隙模型，经过数值计算确认CFRP孔隙率与超声衰减系数之间多值对应关系，它采用的步骤如下：(a)超声信号数据采集采用超声C扫描检测方法对CFRP孔隙率试样的一次底面回波进行扫查，扫描图像中不同的颜色对应不同的一次底面回波幅值，选择扫描图像中φ≥6mm的颜色分布均匀区域为研究对象，对其进行时域波形采集和分析处理，得到该研究对象的超声衰减系数实验值α_mea；(b)真实形貌孔隙模型建立及孔隙率统计将选定的研究对象从样品上切割下来，沿平行于纤维铺设方向逐层磨削并拍摄金相照片，获得具有CFRP真实孔隙形貌的连续切片照片，将原始金相照片的亮度、对比度以及黑暗边界调整后，对图像进行中值滤波预处理和二值化处理可得到含基体及孔隙形貌信息的二值原位图像，将CFRP原位图像中的孔隙和基体赋予不同的材料属性，并采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法对其进行网格离散化即可建立真实形貌孔隙模型，最后，根据灰度值的不同统计出真实形貌孔隙模型中的孔隙率P；(c)超声衰减系数数值计算采用FDTD方法将步骤(b)得到的真实形貌孔隙模型进行数值计算，得到超声波在厚度为d的真实形貌孔隙模型中传播的入射波声压p₀及一次底面反射回波声压p₁，利用公式(1)求得该模型的超声衰减系数模拟值α_sim，${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sim}}=\frac{10}{d}\lg \frac{p_0}{p_1}---\left(1\right);$(d)CFRP孔隙率与超声衰减系数关系的建立将步骤(b)统计出的CFRP孔隙率P与步骤(c)数值计算得到的超声衰减系数模拟值α_sim建立关系，最后，将α_mea与α_sim进行对比，由此验证P与α之间多值对应关系的准确性。