复合材料分层缺陷的超声扩散场成像机理研究

Ultrasonic inspection is one of the effective evaluation methods for delaminations in laminated composite structures. The inspection sensitivity can be improved with higher frequency. However, problems including wave scattering, reflection and mode conversion prevent its further applications in the non-destructive testing (NDT) of composites. The ultrasonic wave interacts with the internal structure repeatedly through processes such as multiple scattering, from which dense sampling can be realized. The generated diffuse ultrasonic field is able to detect minor structure variations. Most solutions tend to eliminate the diffuse ultrasonic field nowadays in order to improve the defect image quality. This work takes advantage of the information from that to achieve high quality defect image. The generation mechanism of the diffuse wave field is explored integrating theoretical, numerical and experimental studies. The interaction between the diffuse wave field and the delamination is studied to establish their correspondence to each other. An efficient signal processing algorithm is developed to obtain the correlation information and calculate the sensitivity kernel. The nonlinear inversion algorithm is investigated to realize the delamination imaging with high resolution and precision. By the mechanism study of diffuse ultrasonic field imaging, this work offers a potential solution and provides a basis for the nondestructive testing of delaminations in composites with diffuse ultrasonic wave inspection.

超声检测是有效检测复合材料分层缺陷的手段之一，其检测敏感性随着频率的增大而提高，但相应的声波散射、反射、模式转换等问题限制了其在复合材料无损检测中的更广泛应用。超声波通过多重散射等过程，与内部结构反复作用实现密集采样，所形成的超声扩散场对结构变化高度敏感。目前手段主要通过消除扩散场的影响来提高复合材料分层缺陷的成像精度，本项目则利用扩散场信息来实现高精度成像。具体地，综合理论分析、数值模拟和实验验证，从统计角度研究超声扩散场的形成机理；分析扩散场与分层缺陷的相互作用过程，建立扩散场与分层缺陷之间的特征对应关系；发展有效的信号处理方法，提取激励前后的相关性信息并开展敏感核函数计算；探索基于扩散场的非线性成像反演算法，提高定量化缺陷图像的分辨率和精度。通过对超声扩散场的成像机理研究，在学术上提供复合材料分层缺陷成像的新途径，在应用上为超声扩散场无损检测奠定理论基础。

纤维复合材料在生产和使用中会由于材料杂质、冲击载荷等影响产生分层缺陷，并在后期服役中形成裂纹继续扩展，最终导致整体结构的破坏。本项目围绕高频检测下复合材料内部扩散场的形成机理、模拟计算和实验分析实现分层缺陷的高精度检测及成像。首先从辐射传输方程出发，在多重散射情况下将超声波传播近似为基于单位空间能量密度的扩散过程。为有效激励获得各类铺层结构中的扩散场，应选择合适的检测频率，避免高频率下的强衰减和低频率下的弱散射。其主要成分为横波，可近似为声波处理，且在沿着纤维方向的信噪比优于垂直于纤维方向。当传感器初始间距大于平均自由程时，扩散系数基本不再随采集距离的增大发生变化。然后搭建检测平台，结合波传导模拟计算深入分析了复合材料中扩散场与分层缺陷的相互作用过程。发现扩散系数和耗散系数适用于分层缺陷的高度、深度等宏观尺寸表征，而尾波干涉系数可以结合拍手效应实现缺陷开合状态的早期检测。最后使用解析敏感核函数方法通过不相关系数建立了正演模型，使用最大似然法针对准各向同性复合材料中的表面缺陷实现了成像。受换能器的数量和分布、计算窗口、缺陷大小等因素影响，最大缺陷误差为9.29%。进一步基于数值敏感核函数方法使用贝叶斯反演实现了各向异性复合材料中的分层缺陷高精度成像。它可拓展至任意可以形成扩散场的宏/微观复杂结构，无需预知内部结构细节，实现局部快速检测。在此类静态分析基础上，还发展了部分同步的动态加载扩散场监测技术。有望借助外界激励源改变缺陷状态，利用信号恢复和反演成像实现复合材料的被动结构健康监测。