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应用超声导波无损检测有缺陷的碳纤维杆多分层
1.简介
新型结构在航空航天工业，如光—重量纵梁增援的滑翔机，飞机，和在运输部门的船，游艇和汽车采用碳纤维增强塑料（布）棒。每根杆由一群碳纤维层数直径接近几微米，整体圆柱状或粘在一起方形杆结构。典型的直径的圆弧型杆是3毫米，横向尺寸的方形杆3毫米3毫米。此外，这些小的横向尺寸棒粘到环氧树脂填充矩阵构建任意晶石简介。这样的结构可用于悬挂单位和公路桥梁怎么样。最常见的材料结构像梁和工字梁是石墨sm315复合。这种材料是六倍以上比铝，两次严厉和近一半的重量[ 1 , 2]。
该石墨是一个非常特殊的材料由于其性能，如轻，弹性，强度和耐腐蚀的。横截面的滑翔机大梁，这是加强使用粘碳纤维布循环型杆一起，呈现在图1（a）。还，由于质量差或缺乏之间的环氧树脂胶邻近的纤维，多分层式的缺陷发生。因此，无粘结地区的碳纤维棒是很敏感的机械负载，外部势力和变形。其他类型的缺陷可能是纤维断裂，减少密度，因此，刚度和整体结构的安全问题钢筋使用这种棒的质量取决于单杆。适当的无损检测技术用于碳纤维棒应适用之前它们粘合在一起，作为修复程序的最后组装结构是非常复杂的。无缺陷和有缺陷的碳循环的照片—形杆多分层以检查在图。1（b）和（c）。
最理想的检测技术原理，使检查相对长圆柱形元件（长度接近10米或以上），是一个长距离超声技术的基础上利用低频导波。这种波可能远距离传播和管状结构，平面用于管道检测。的原理和优点，引导应用检查管道或管状结构由考利等人。[ 3 , 4]，洛等人。[ 5]和裴等人。[ 6]。
本工作的目的是研究与发展无损检测技术，它是基于应用超声波导波和用于检测多分层加固杆被用于航天应用。

图1。碳纤维棒粘在一起的环氧填充矩阵：（a）断面的滑翔机制成的碳纤维杆纵梁循环型粘合为基质，（b）无缺陷的碳纤维杆和（c）有缺陷的碳纤维杆多分层。
2. 导波在各向异性介质中传播规律波导
2.1适当的波模式选择的半解析有限元方法

多模式导波特性要求选择适当的必要方式，条件和参数激发和接收，这是直接关系到调查对象-碳纤维杆。这一部分的目的是选择的分析计算技术的传播模式的导波在一个适当的碳纤维复合材料筒。分析研究谐波导波传播无限的空心圆筒已由加齐斯和zemmanek几十年前[ 7 , 8 , 9 ]。选择的一种方法—私人模式导波管的研究，利用一三维结构的解析解指由赵和加里[ 10]。光谱方法已推广实施的卡普芬格等人。[ 11]计算对轴对称传播模式在一个圆柱形气缸。本数值例子的固体和流体管的形式给出了色散曲线和粒子取代—发展概况[ 11]。增强的谱有限元公式—在计算的时间–瞬态响应圆柱波导，考虑到影响导波衰减是由marzani [12]。一种数值方法基于混合有限元和有限元技术研究引导弹性波传播的圆柱管局部不均匀性是由周等人。[ 13]。本轴对称和非轴对称波的反射，透射—锡安和散射问题分析[ 13]。数值模拟导波传播的管状结构利用半解析有限元法分析mazuch[ 14]。铁基的数值算法计算波传播的弹性波导任意截面，各向异性结构是由damljanovic和weaver[ 15]。姆和罗斯[ 16 ]使用半有限元分析计算技术相速度和衰减频散曲线，包括轴对称弯曲模式在空心圆柱粘弹性涂料。半解析有限元方法用于分析的粘弹性波的传播轴对称波导。[ 17]。半解析有限元模型提出的林使用分层的元素，这是离散的厚度方向，因此该方法需要较短的计算时间和计算记忆[ 18]。表达分布在纵向当使用正交函数允许减少一个方面的各种棒状结构，包括板管道材料性能和几何常数结构在纵向方向[ 19]。因此，以确定其中的导波模式在碳纤维杆，该模型进行了使用半解析有限元方法–[1621]。声性能的碳纤维材料（碳纤维和环氧树脂）用于该模型已定义的矩阵弹性系数和，当然，各向异性已帐户。弹性系数在模拟已如下：E1=142 GPa, E2=10.3 GPa, v12=0.27, v23=0.48,G12=7.2 GPa [22]. 长度的碳纤维杆已假定是无限的和周围介质已假定是真空。得到的色散曲线的主要内容。—、教育模式在碳纤维杆直径3毫米的圆弧型图2所示。因为它可以看到在频率范围可达0.5兆赫，有三个最低阶传播模式导波：弯曲的（1 , 1）模式，扭转吨（0 , 1）和基本纵我（0 , 1）模。计算方式形状示于图3。一些技术应用兰姆波接触检查的复合材料层板分层式缺陷由富山和takatsubo提出[ 23]。本首先是基于到达时间的测量来评估大小分层。二、措施的最大振幅的最早的波包在一条线上，包括最长的分层，找到其优势。减少振幅已观察到的位置分层和低幅度一直保持甚至超出观察到的位置[ 23]。

图2.相速度的导波模式的传播在一个圆弧型碳纤维棒（直径3毫米），计算 的半解析有限元方法：1-flexural F（1 , 1），2-torsional T（0 , 1）和3-longitudinal L（0 , 1）。

图3.计算位移不同的导波模式的一个圆弧型碳纤维杆：（a）弯曲的（1,1），（b）扭转吨（0,1）和（c）纵向我（0,1）。
2.2.调查的影响，多个分层式缺陷对传播的导波的有限差分模型
　　　应用有限差分模型是有吸引力的，像“大尺度 ”调查规模，如波的传播一个对象，与内部结构复杂的缺点形状，并进一步扩展。结果数值模拟—利用导波传播的管状结构的有限差分技术的情况下点源的各向异性管由碳纤维增强环氧树脂基体中的轴对称的情况下激发各向同性铝管由格塞尔等人。[ 25]。导波散射的影响在缺陷区域铝管的缺口有限差分方法是由Leutenegger and Dual分析的[ 26]。
为了研究相互作用的超声引导波多分层式缺陷（断除—环氧树脂胶）连接在碳纤维杆，利用三维模拟wave3000pro软件包进行。本wave3000pro软件是基于有限差分方法和评价的位移向量在每个离散点所分析的对象。
　　非接触无损评价纤维增强复合材料层合板使用漏兰姆波是由基文迪和马丁[ 24]。他们已获得的兰姆波在复合材料的模式，取决于弹性性能的层压材料，板厚，纤维取向，上篮，和在场的内部间断。漏兰姆波已回升，在沉浸板，一定程度的谱扰动而引起的各种类型的缺陷，如分层，孔隙度，厚度，杂质和纤维体积变化部分已估计[ 24]的基础上，有希望进行检测。
得到了基文迪和马丁[ 24]的相互作用规律，导波与多个分层式的缺陷进行调查使用沉浸技术，和漏波在缺陷区应分析。最高速度，一个相对较小的分散，一个相对长的传输距离由于低泄漏损失的可能性和激发使用long-itudinal模式超声换能器连接到边缘的纵向杆使我（0 , 1）模式最适合调查碳纤维杆使用浸泡法。接收器扫描的杆使接漏导波信号并确定是否参数波模式的传播在杆的影响存在缺陷。

图4.建立的三维数值模型，研究超声导波的传播在一个有缺陷的碳纤维杆。 快照领域在平面位移量沿杆轴在不同时间情况介绍
图6。几个截面的位移量域，相应的无缺陷和有缺陷的地区并给出了。仿真结果表明，在碳纤维复合材料复合棒形，纵L（0,1）模式产生有效地在边缘型激发的使用。这种模式传播沿测试样本远离激发区而产生的漏波10到周围在这种情况中，如水（图6（一））。在前线边缘的缺陷区域，变换的L（0,1）引导波模式发生。在这方面，超声波传播碳纤维布层数沿泄露地区无泄漏水（图6（a））。背后的缺陷，也非—有缺陷的区域的测试样品的导波我L（0,1）传播模式，又使辐射较弱的漏波10到周围的液体（图6（d））。重建超声图像（图7），从模拟信号，有较强的幅度减少漏波的缺陷，和有缺陷的区域碳纤维测试样品是清楚地看到。适当的结果导波减少幅度超过缺陷的复合板冲击损伤是由克等人。[ 29]和富山和takatsubo[ 23 ]。谭等。[ 30]提出的几点说明关于减少幅度超过普通的分层型缺损，如波分离，模式转换波在分层散射边缘。不过，在上述描述结果[23,29,30]有没有翔实的分析程序—提供了关于导波与分层型缺陷。为了评估的影响，介质的打算分层差距（空气或水渗入），在漏波抑制，比较模拟已完成。设置的模拟是相同的如前所述，除了总长度的分层堆沿轴是4072.5毫米。快照领域在平面位移量沿一轴圆弧型碳纤维杆，在这两种情况下获得空气和水入口内的差距多分层，示于图8。漏波已抑制的情况下分层差距空气包裹体。

图6。数值模拟位移幅度域（三维情况下）在不同时间的一个圆弧型碳纤维杆，在是漏波，产生的直接纵向L（0 ,1）模式：（a）4毫秒（前面的缺陷），（b）8ms（互动的缺陷）和（c）13ms（背后的缺陷）。
在模拟中，不同类型的配置安排的分层串在对缺陷区的碳纤维杆进行了调查：两个半矩形和倾斜（图9）。抑制漏波5.7分贝的情况发生两个半矩形剖面分层堆装满水（图10）。抑制漏波7.3分贝的情况发生倾斜剖面分层堆装满水（图10）。较高的抑制漏波28.4分贝发生在两种情况下倾斜和两个半矩形剖面分层束与空气夹杂只有（图10）。预计在练习，在浸泡试验，这是更可能找到分层差距空气夹杂，作为应力力的水不够高，深入差距多分层等小尺寸。相互作用的直接纵向L（0,1）导波模式边缘的倾斜剖面分层堆（图9）提供增加的影响幅度散漏波外样（图10）。这种效应发生是由干扰的多重散射波的边缘的每一组碳纤维剥离而来。散射现象和多重反射波是由罗赫林，benmeddour等人从一个普通的生产型缺陷和缺口发现的。共振现象的兰姆波分散在一个有限的裂纹，平行于表面，在一个弹性层已被调查提议。

图7.数值模拟超声图像的缺陷，圆弧型碳纤维杆
相互作用的直接纵向L（0 , 1）导波模式边缘的倾斜剖面分层堆（图9）提供增加的影响幅度散漏波外样（图10）。这种效应发生由于干扰的多次散射波的边缘的每一组碳纤维剥离。散射现象和多重反射波从一个普通的生产型缺陷和缺口是由罗赫林，benmeddour等人，NIIT公司等。与林和川岛18,31–[33]进行研究发现。

图8.数值模拟位移动幅度域（二维的情况，例如21.3毫秒）的情况下，不 同介质填充到多个分层区的一个圆弧型碳纤维杆，L0是漏波，产生的直接纵向L0（0 , 1）模式：（a）分层填充的空气夹杂和（b）分层填充由水渗入到棒的体积。

图9.简介安排多个分层束在有缺陷的碳纤维杆：（a）和（b）两个半矩形轮廓斜剖面。
共振现象的兰姆波分散在一个有限的裂纹，平行于表面，在一个弹性层已经研究了由罗赫林[ 31]。该方法的多个衍射在边缘的裂缝已提出了 。在该地区的裂缝，2机制已发现提供的效果干扰：辐射的声波能量区域以外的裂缝和转化成

图10归一化echodynamic曲线漏波沿轴扫描：一束多分层斜剖面和空气包裹只有（a），和充分的水渗入到棒体积（b），一束多分层与两个半矩形剖面和空气夹杂只有（c）和充分的水渗入到杆体（d）。
其他重新反射波反射模式辐射从对面边缘的裂缝[ 31]。benmeddour等人。[ 32]观察多思考的边缘对称缺口深度不同铝板。NIIT公司等。[ 33]，同时使用模拟和实验，研究了相互作用的超声导波模式L0对称分层式缺陷在各向同性层状复合板。它已经建立在脱层区域，模式转换，模式和多个反射发生[ 33]。林和川岛[ 18 ]已经确定，在复合板，多思考发生在出口的分层。有人建议，时间间隔收到的多个反射信号对应的长度和分层[ 18]。
三维声学模型的一个碳纤维杆是由使用有限元代码。分析执行已被用来产生几何，齿合的完全参数化模型和解决问题。该模型是齿合的10节点四面体结构的固体成分SOLID 92。该元素是定义十个节点有三个自由度的每一node-translations在模型x,y,z的方向上。该元件的输入数据包括正交异性材料性能[ 35]。元素的大小是0.15毫米。该模型的无约束的碳纤维杆直径3毫米和50毫米长度已被提出。该模型具有不规则网格，数元素是850617，节点的数量为1186110和自由度的数目是3558330。在了解相互作用的超声导波分层型缺损，如一束多层碳纤维，缺陷已仿照只有一部分的碳纤维杆分层，即纤维和环氧树脂具有相同的正交异性材料性能作为一个无缺陷的碳纤维杆。该区有明显的小直径（0.2毫米）比无缺陷的部分是牢固地连接到边缘的杆。长度的分层部分碳纤维纤维规定为30毫米。执行模型的一个完整的缺陷区的三维有限元代码，可以代表一组束无粘结纤维，几乎是不可能的，由于有限的计算机资源。因此，任务模拟简化几何模型的开发是在图。11。

图11.简化的几何形状的分层式缺损有限元模型

3. 实验验证漏波抑制缺陷区域与多分层
这一部分的目的是为了验证模型的实验研究结果，得到利用有限差分和有限元模型。浸泡实验装置是在图13（a）。
B超（获得沿轴的碳纤维杆）和C扫描图像注册漏波在有缺陷的碳纤维杆与人工缺陷提出在图13（乙）和（丙）。结果表明，漏波存在由于在水中传播的直接纵向L0（0 , 1）模沿纤维的碳纤维杆。在有缺陷的地区，在相同的方式漏波是完全压制，因为已经发现了,所以利用数值模拟。在B超图像，反射波年底的碳纤维杆和传播在落后的方向上还可以看到。

图13。碳纤维棒检查使用浸泡技术和导波：（a）实验装置登记的漏波，（b）B超图像和（c）扫描图像。
4.结论
通过数值模拟和实验结果表明，导波可用于检测小直径的碳纤维增强塑料棒 用于制造纵梁加强轻型滑翔机。提出了用浸泡法的基础上激发的纵向L0（0 , 1）导波模式和监测振幅的漏波波导。在场的分层式缺陷可检测是必不可少的，漏波在缺陷区幅度会减少或完全消失的
结果表明，分层式的缺陷是超声导波传播没有障碍和L0（0 , 1）导波模式，而是将其转化为模式，不会产生漏波。由于这一事实不是只有单一的缺陷，但即使有缺陷也可以被检测到。
5. 未来的工作
在实践中，为有效实施该技术在线测试碳纤维杆，例如，在制造过程中，应当采用更先进的超声波技术的非接触式发电的long-itudinal L0（0 , 1）导波模式。为此，超声波探头，组装成车轮接触式的代导波通过表面的棒，沉浸圈换能器辐射声功率为中心，通过用棒的运送，和非接触式超声波检测技术与适应圆柱集中空气耦合传感器是有希望的。
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