【摘 要】
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航空复杂形状结构制造工艺复杂、服役环境严苛,易造成多种损伤缺陷,严重降低结构力学性能,甚至导致灾难性事故。超声无损检测是保障飞机服役安全的重要手段,受复杂几何形状影响,超声波极易发生畸变、弯曲和分离,目前传统超声波检测技术存在超声信号弱、实时调整探头姿态、复杂扫描路径、成像分辨率差等瓶颈。因此,迫切需要一种简单高效且可以实现内部缺陷量化分析的超声检测方法。本论文在国自然联合基金重点项目“大型航空复
【基金项目】
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国自然联合基金重点项目“大型航空复合材料复杂型面自适应相控阵三维聚焦成像智能检测关键技术研究”（项目编号:U2133213）； 深圳市智慧传感与系统检测重点实验室资助项目（项目编号:ZDSYS20190902093209795）；
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航空复杂形状结构制造工艺复杂、服役环境严苛,易造成多种损伤缺陷,严重降低结构力学性能,甚至导致灾难性事故。超声无损检测是保障飞机服役安全的重要手段,受复杂几何形状影响,超声波极易发生畸变、弯曲和分离,目前传统超声波检测技术存在超声信号弱、实时调整探头姿态、复杂扫描路径、成像分辨率差等瓶颈。因此,迫切需要一种简单高效且可以实现内部缺陷量化分析的超声检测方法。本论文在国自然联合基金重点项目“大型航空复合材料复杂型面自适应相控阵三维聚焦成像智能检测关键技术研究”和深圳市智慧传感与系统检测重点实验室资助项目的支持下,以复杂形状结构的超声波检测为研究对象,提出了一种利用半球形全向型超声探头实现复杂形状结构检测的新方法。首先基于半球形全向型超声探头发射和接收超声信号,然后通过轮廓重建算法实现复杂形状结构的表面轮廓重构,最后基于重建的表面轮廓并依靠合成孔径聚焦方法实现内部缺陷信号的聚焦成像,从而实现复杂形状结构的高效、高精度定量检测。该工作的创新性是基于半球形超声探头的全指向性特征,确保始终存在垂直于结构表面传播的超声波,从而无需调整探头姿态,可以通过使用简单的线性扫描路径来实现大型复杂形状结构的全覆盖检测,无需根据表面轮廓连续变化进行复杂路径规划实现扫描检测。主要研究内容和结论如下:（1）研究了全向型声场的凸面半球形超声换能器。针对现有球形全指向性超声换能器频率低,无法实现缺陷高分辨率检测的瓶颈问题,本文设计了一种用于复杂形状结构无损检测的MHz频率的半球形全向型超声换能器。其核心元件是由1-3压电复合材料通过切割-填充-脱模的工艺方法制成的一体成型半球体压电晶片,通过电子和防水封装完成。该换能器的中心频率为2.91 MHz,在纬度方向上的声场为全指向,在经度平面上的扩散角为170°,完全满足复杂形状结构的检测需求。通过对比半球形探头与传统平面探头对不同复杂形状结构的检测结果证实:半球形探头能够实现更完整地探测表面轮廓和内部缺陷,从而为轮廓重建和缺陷成像提供高质量的超声信号。（2）重建了具有多反射点和尖端边缘点的复杂形状结构表面轮廓。针对存在多个表面反射回波信号且有尖端边缘点的复杂形状结构表面轮廓重建的难点,本文对传统轮廓重建算法进行优化,探究多个表面回波传播时间与型面轮廓之间的映射关系,建立了以多个表面回波传播时间重构复杂型面轮廓的边界自适应重建算法。并设计了具有不同检测难度的典型复杂形状结构进行数值计算和实验验证,优化算法对表面轮廓重建的最大相对误差分别为7.08%和1.65%,比优化前的算法重建准确率分别提升了82.66%和94.70%。结果证实:优化后的算法可以准确地重建出不同类型复杂形状结构的表面轮廓,为后期内部缺陷定量分析提供精准的参考边界。（3）基于合成孔径聚焦技术实现了复杂形状结构内部缺陷的聚焦成像。针对横通孔缺陷反射回波发散不聚焦的不足,本文通过合成孔径聚焦成像算法对缺陷信号执行延迟和叠加形成波束,可以提高内部缺陷的横向分辨率。在数值计算和试样实验中,半球形超声探头对横通孔定位的最大相对误差分别为9.71%和7.43%,尺寸测量的最大相对误差分别为7.89%和8.60%。结果证实:基于超声重建的表面轮廓,通过合成孔径聚焦算法对使用半球形超声探头获得的时域超声数据进行后处理,不仅清晰地显示出所有内部横通孔的正确位置,还可以根据成像图像中的曲率半径进行横通孔尺寸大小的精确量化,从而实现复杂形状结构内部缺陷的定量检测分析。本论文提出的基于全向型超声和轮廓重建算法的复杂形状结构无损检测方法实现了复杂形状结构表面轮廓的准确重建和内部缺陷的定量检测,是一种高效、高精度的无损检测方法,在航空航天领域中具有很大的应用潜力。
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