民用飞机复合材料结构件超声相控阵无损检测技术进展

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1、．jli：塑工星￡臼丛Q。Q鱼YEBQ蹦工民用飞机复合材料结构件超声相控阵无损检测技术进展ProgressofUltrasonicPhasedArrayNondestructiveTestingTechniqueforCivilAviationCompositeStructures中国民航大学航空自动化学院詹湘琳韩红斌周德新詹湘琳博士，副教授，主要研究方向为超声无损检测。主持省部级及国家级科研项目3项．发表论文20余篇。碳纤维复合材料(CFRP)是通过物理或化学方法将碳纤维和环氧树脂复合而成的一种多相固体材料，具有很高的比强度

2、和比模量、质量轻、耐疲劳和抗振性能好等优点。这些优点能有效减轻飞行器的质量，提高可靠性，被广泛用于现代飞机结构件的生产制造中。但由于制造工艺、}本文受国家自然科学基金(61102097)、天津市科技支撑计划项目(1IZCGHHZ00700)、天津市高等学校科技发展基金计划项目(20100412)资助。124航空制造技术·2014年第15期本文归纳了采用UPA技术对飞机CFRP结构件检测的技术难点，介绍了超声在复合材料中传播规律的研究进展。阐述了声场的数值模拟、相控阵参数优化、信号处理等关键技术及发展策略，期望为UPA技术在民航

3、检测领域的工程应用和研究提供技术支撑。运输、操作及使用不当等原因，会在飞机复合材料结构件的生产成型及使用过程中产生缺陷，严重影响构件的机械性能和完整性⋯。因此，采用无损检测方法对生产出来的复合材料构件进行检测，或者对使用的复合材料构件进行定期检测就显得非常重要。用于复合材料检测的常规无损检测方法主要包括目视检查法、敲击法、射线检测技术、声发射法、超声检测技术等12I。一般来说，在外场环境条件下，先用目视和敲击方法进行初步检测，然后到内场根据飞机复合材料的结构形式、几何形状及需要检测的缺陷类型和要求，从上述方法中确定合适的检测方

4、法进行检测和维修"I，但这些方法都有一定的局限性一】。目前来说，超声检测方法是一种方便、有效的检测手段，被广泛应用于复合材料构件的无损检测15I。但是，复合材料组分的多样性和各向异性会使超声波的传播发生严重衰减、波束偏移、频散等现象，增加了检测难度。另外，复合材料厚度方向一般不存在加工余量，所以不允许超声检测存在检测盲区。这样，导致常规超声检测很难满足复合材料无损检测的要求

5、6J。超声相控阵(UPA)技术为解决这个难题提供了可能。它是一种多声束扫描成像技术陋1，通过电子系统控制换能器阵列中的各个单元，按照一定的延迟时问法则发射

6、和接收超声波信号，从而控制声束在工件中的聚焦位置和偏转方向，实现缺陷的检测‘”。由于相控阵超声通过改变检测参数灵活控制声束，并能实现声束聚焦，从而提高了声束的入射能量，并能提高灵敏度和信噪比【8I。另外，还可以通过采用传感技术、数字信号处理技术、电子技术和计算机技术等减小相位偏差，提高检测分辨力。国内外研究学者正致力于将UPA技术应用于飞机复合材料的缺陷检测。SONG等采用声线示踪法研究相控阵声场，计算了超声相控阵不同阵元在非均匀各向异性介质中的延迟时间和人射角[91；法国原子能委员会的Mahaut等使用CIVA软件模拟相控阵

7、超声在各向异性介质中声波的传播过程I“”；美国西北太平洋国家实验室侧重于相控阵换能器设计以及硬件系统的研制¨”；德国弗朗霍夫无损检测研究所(IZFP)提出了“采样相控阵”(SPA)和“反向相位匹配”方法，并比较了B扫描与C扫描应用于CFRP检测的优缺点Il21；德国EADS军用飞机公司与加拿大奥林巴斯公司合作，尝试采用相控阵技术对老龄飞机的CFRP结构件的关键部位进行检测1131；英国TWI有限公司用线性超声阵列对含有模拟分层和撞击缺陷的CFRP平板进行测试，讨论了使用UPA技术的优点和缺点Ii41；我国的李衍等深入阐述了相控

8、阵的基础理论，为相控阵研究提供参考”5J；哈尔滨工业大学的单宝华和刚铁等研究团队研究了相控阵硬件构成中的关键技术，搭建了硬件平台

9、I创；北京航空航天大学的周正干研究团队将UPA技术应用于多层介质L型构件R区的缺陷检测，采用有限差分方法进行数值仿真，计算阵元的延迟时间”7】；天津大学的孙芳等开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究，讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响【1剐；北京理工大学的徐春广等研究了线列参数与声场指向性的关系

10、l9】；中国科学院声学研究所的张碧星等侧重于研究超声相控阵聚焦与扫描方法，并开发了一套相控阵仪

11、器【201；中北大学的王召巴、宋文爱等研究团队采用动态光弹法研究了相控阵超声波束在介质中的传播规律，并通过反演法得到B扫描图像Ⅲ。221；清华大学的施克仁等在提高相控阵成像分辨力方面做了大量工作，并研究了相位畸变的修正方法12驯；上海交通大学的阙佩文等研究了线形超声相控换能器