先進複合材料構件超音波微擾散射衰減機理研究

《先進複合材料構件超音波微擾散射衰減機理研究》是依託大連理工大學,由林莉擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：先進複合材料構件超音波微擾散射衰減機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：林莉

項目摘要

本項目以先進複合材料構件質量控制關鍵參數- - 孔隙率無損檢測技術為目標，針對孔隙形態的隨機性、孔隙尺寸與超音波波長的可比擬性，以及孔隙率與孔隙形態特徵之間的相關性，採取統計學原理和方法描述孔隙引發的介質局部彈性參數的無規擾動，建立複合材料隨機介質模型。研究非均勻介質彈性波波動方程的精確求解方法，建立孔隙特性與超音波散射衰減特徵參量之間的關係，揭示含孔隙複合材料超音波微擾散射衰減規律，發展出準確可靠的複合材料孔隙率超聲無損檢測技術。本研究將克服現有含孔隙各向同性均勻介質彈性理論不能準確描述孔隙引發的介質局部彈性參數無規擾動的局限性，解決傳統彈性各向同性均勻介質超音波傳播理論無法解釋複合材料孔隙超音波散射衰減機理的問題。研究思路和方法具有明顯的創新性和科學性。研究工作具有重要工程套用價值及重要理論價值。

結題摘要

針對孔隙率P=0.03%~4.96%的熱壓成型單向碳纖維增強複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)試樣，採取金相顯微觀察、孔隙幾何形貌特徵統計以及超聲實驗測試、數值模擬計算等方法，對孔隙幾何形貌的統計性及隨機性進行了系統研究。然後從改善CFRP孔隙的數學描述手段入手，以實測CFRP孔隙統計數據為依託，創新性地提出並建立了二維隨機孔隙模型(Random Void Model, RVM)。該模型依據隨機介質理論，採取統計學原理和方法，將孔隙看作是疊加於由大尺度基體背景介質平均特性之上的小尺度隨機擾動。利用隨機孔隙模型能夠得到與真實孔隙幾何相似性良好的孔隙形貌。基於二維RVM，採用有限差分方法對超音波在複合材料中的傳播過程進行數值模擬，計算縱波聲速以及超音波散射衰減係數，研究了孔隙形貌特徵對超聲傳播特性的影響。研究表明，隨機孔隙模型能夠靈活跟蹤、準確捕捉孔隙形貌變化及其對超聲散射衰減的影響，利用RVM得到的衰減係數理論預測結果和實驗測試結果之間的符合程度大大優於傳統的確定性模型。研究結果首次證明了超聲衰減係數不僅與孔隙率有關，更受到孔隙形貌的影響。由於孔隙形貌的隨機性，相同孔隙率下得到的超聲衰減係數具有一定的波動性。隨著平均孔隙尺寸和波長的比值不同，超聲散射機制也存在差異。本研究揭示了含有隨機形貌孔隙的複合材料與超音波之間的作用機理，為建立複合材料孔隙率超聲檢測模型提供理論依據和技術支撐。