碳纤维复合材料飞机结构件的超声相控阵探伤技术研究

碳纤维复合材料是理想的航空结构材料，在民用飞机上已批量装机应用。飞机结构件形式复杂多样，内部缺陷对结构件的完整性造成致命威胁。因此，对碳纤维复合材料的无损检测是保证飞行安全的关键技术。本课题以碳纤维复合材料飞机结构件为研究对象，以实现飞机原位检测并自动识别分层、孔隙、脱粘和裂纹四类典型缺陷为目标，提出了采用超声相控阵技术对碳纤维复合材料飞机结构件进行缺陷探伤。研究在叠层、多铺向角结构的介质中超声相控线阵声场的特性，建立声束的时空控制模型和回波信号仿真；研究缺陷信号与混沌特征之间的映射关系，探索针对碳纤维复合材料飞机结构件特点的缺陷信号提取、特征信息分析及缺陷自动识别的算法；进行实验研究，对提出的检测方案进行验证。本项目的研究对提高碳纤维复合材料飞机结构件的探伤效率、保障飞行安全具有重要意义。

本项目针对民航维修领域中飞机复合材料结构件探伤效率低、人为判伤误差大等问题，采用信息融合技术、分形算法、小波变换以及神经网络等技术对检测信号进行信号处理，实现了缺陷特征参数的提取和优化以及缺陷识别。本项目完成了复合材料内超声相控线阵声场的形成机理和超声传播特性的研究，实现了缺陷回波的仿真、预测。严格按照飞机制造商的无损检测手册的要求制作复合材料试块，并用超声相控阵探伤仪进行检测。项目的创新之处：1. 基于解析法和数值分析法，建立复合材料超声相控阵检测模型，解决了对复杂结构件超声无损检测时遇到的可达性差和空间局限性的问题。2. 根据声束传播模型，采用信息融合技术和分形算法，消除伪缺陷信号。3. 研究基于小波变换和信息熵、混沌分析等方法相结合的信号处理方法，具有信噪比高、提取速度快的特点。另外，基于飞机制造商提供的飞机无损探伤手册构建超声相控阵测试实验硬件平台和软件平台及相应的实验设计。在上述研究基础上，给出了一套飞机复合材料结构件原位检测方案。本项目的研究成果有利于降低我国民航维修企业的维修成本，克服目前探伤速度慢、人为误差多的不足，提高飞机复合材料结构件的探伤效率，降低飞机停航时间，创造更多的经济效益。本项目的研究成果可对国产大飞机的研制、维修提供技术参考。掌握超声探伤的核心技术，开发符合探伤标准、具有自主知识产权的超声相控阵探伤系统，进而制定出符合我国国情的飞机复合材料结构件超声探伤的技术标准。另外，复合材料是一种重要的工业材料，广泛应用于航空航天、交通运输等领域中。而超声相控阵探伤方法也广泛应用于核工业、航空航天、石油天然气、铁路运输等领域，可对各向同性、各向异性、均质、非均质金属材料和非金属复合材料进行无损探伤，在工业领域中有广泛应用范围。总之，本项目的研究成果对国内航空维修企业的生产和国产大飞机复合材料结构件的探伤都具有重大的意义。另外，本课题的研究成果可进一步推广到相关领域，产生巨大的社会效益和经济效益。