用于表征由復(fù)合材料制成的零件的方法
【專利說明】用于表征由復(fù)合材料制成的零件的方法
[000。巧術(shù)領(lǐng)域與現(xiàn)有巧術(shù)
[0002] 本發(fā)明在表征由復(fù)合材料制成的零件的方法的領(lǐng)域中，在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中，尤其 在航空工業(yè)領(lǐng)域中。
[0003] 在某一給定的零件被開發(fā)時(shí)，有必要知道該零件的某一給定區(qū)域中的纖維含量和 含膠量。為此，人們知道要測量通過該零件的縱向超聲波的傳播速度和衰減。
[0004] 測量該些大小的一個方法是W收發(fā)器模式使用超聲換能器。然后關(guān)注該零件的由 相互平行的前表面和后表面限定的區(qū)域?？v波被引導(dǎo)W便與所述兩個表面正交地傳播，被 部分反射且還在該零件的材料中被衰減。從而有觀察到的來自前表面的第一回波，W及來 自后表面且稱為后回波的第二回波。換能器接收到反射波，于是通過觀察兩個反射分量就 可能推斷出材料中的波的傳播速度和衰減。
[0005] 然而，該解決方案對于強(qiáng)烈吸收超聲波的材料而言不合適。例如該適用于具有非 均勻且各向異性的結(jié)構(gòu)的=維3D機(jī)織復(fù)合材料。對于具有工業(yè)厚度的零件來說，由于強(qiáng)吸 收，在該些材料上獲得的記錄中后回波是不可見的。
[0006] 從而有必要開發(fā)一種適合于應(yīng)用于由復(fù)合材料制造的零件且使得大量零件能夠 被表征而不管它們的厚度或它們的吸收性質(zhì)的方法。
[0007] 發(fā)巧的定交P又及相關(guān)巧的優(yōu)點(diǎn)
[000引本發(fā)明設(shè)及一種表征由復(fù)合材料制成的零件的方法，該方法包括確定沿零件內(nèi)的 一路徑行進(jìn)的縱向超聲波的特征的步驟，該方法的特征在于測量由該零件透射的波的行程 時(shí)間。
[0009] 通過該技術(shù)，與收發(fā)器模式測量中缺少后回波相關(guān)的問題得到克服。
[0010] 根據(jù)一有利的特征，透射波的行程時(shí)間是通過觀察波的開始而測量的。
[0011] 通過該特征，就可能無視由厚材料造成的，或由特定復(fù)合材料的復(fù)雜的、非均勻 的、且各向異性的結(jié)構(gòu)造成的所用超聲波的正弦信號的相移和變形的極度放大的問題。
[0012] 在一實(shí)現(xiàn)中，遵循零件中的一路徑的縱向超聲波的傳播速度被確定。
[0013] 該提供了對于確定復(fù)合材料的纖維含量和含膠量來說有用的信息，該信息可被用 于被研究的零件的開發(fā)。
[0014] 在另一實(shí)現(xiàn)中，該實(shí)現(xiàn)可與前述實(shí)現(xiàn)相組合，還測量透射波的幅度W便確定縱向 超聲波在零件中行進(jìn)時(shí)受到的總長度衰減或單位長度衰減。
[0015] 該提供了對于確定孔隙含量來說有用的信息，該信息可被用于被研究的零件的開 發(fā)。
[0016] 較佳地，測量在沒有零件的情況下傳輸?shù)某暡ǖ膫鞑r(shí)間，同樣測量分別由零 件的第一面和零件的第二面反射的超聲波的傳播時(shí)間，W便確定傳遞沿零件中的一路徑行 進(jìn)的縱向超聲波的零件的尺寸。
[0017] 通過該特征，該特征是可任選的但是有利的，獲得傳遞透射波的零件的尺寸的精 確測量，而該尺寸在由復(fù)合材料制成的零件中是相當(dāng)多變的，因此對于所使用的超聲波所 遵循的特定路徑來說，知道某一給定零件的確切值可能是有用的。
[001引具體來說，對由3D機(jī)織復(fù)合材料制成的零件來執(zhí)行該方法。
[0019] 該些材料尤其難W被表征，因?yàn)樗鼈兊姆蔷鶆蛐訵及因?yàn)樗鼈兊母飨虍愋?。通過 本發(fā)明，就可能快速且可靠地研究它們，尤其是在零件正被開發(fā)的情況下。
[0020] 附圖簡巧
[0021] 圖1示出在執(zhí)行本發(fā)明的方法的上下文中的預(yù)備操作。
[0022] 圖2示出本發(fā)明中執(zhí)行的厚度測量階段的S個步驟。
[0023] 圖3至5示出圖2的S個步驟期間記錄的信號。
[0024] 圖6示出在本發(fā)明的方法期間觀察透射波的步驟。
[0025] 圖7示出圖6的步驟期間測得的信號。
[0026]圖8至10示出對于由復(fù)合材料制成的墊片來說圖2和6的步驟期間獲得的信號。
[0027] 一連現(xiàn)的具體描i術(shù)
[002引參考圖1，將工作于傳輸模式的兩個平面超聲傳感器放成對齊。該種放成對齊構(gòu)成 了預(yù)備步驟E0。傳感器被諸如水之類的液體分隔。換能器10工作于發(fā)射模式，而傳感器 20工作于接收模式。在軸Oy和化W及還有角度0和9的連續(xù)調(diào)整之后，傳感器20接收 到的信號通過最大值。
[0029] 在圖2中，對被研究的零件（標(biāo)為30)的材料的厚度進(jìn)行測量。該測量需要精確 至IJ1微米內(nèi)。
[0030] 第一步驟E1在于在沒有該零件的情況下測量波傳輸通過兩個換能器10和20之 間的水的行程時(shí)間。第二步驟在于在換能器10按收發(fā)器工作且面對零件30的第一表面 (標(biāo)為31)的情況下測量由該表面31反射的波的行程時(shí)間。第=步驟在于在換能器20接 著按收發(fā)器工作且面對零件30的第二表面（標(biāo)為32)的情況下測量由該表面32反射的波 的行程時(shí)間。
[0031] 每次通過觀察信號的開始而非信號的拱，來測量行程時(shí)間。該使得操作者可能無 視與信號的可能相移相關(guān)聯(lián)的任何現(xiàn)象。具體來說，在存在多重反射的情況下，相移出現(xiàn)。 該同樣在反射后信號被反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生。信號的拱的形狀被修改，且難W獲得行程時(shí)間的精確 值。該就是提出通過只觀察信號的開始來測量信號的原因。
[0032]由于波在水中的傳播速度Vyk是已知的，通過使用公式《2= XVyk， 就可能通過減法來從步驟El、E2和E3獲得零件的厚度，其中XI是換能器10與表面31之 間的距離，X2是波束射入點(diǎn)處零件的厚度，X3是換能器20與表面32之間的距離，且其中 txi和tX3分別是在步驟E1、E2和E3期間測得的行程時(shí)間。
[0033] 圖3至5示出在水溫22°C、5兆赫茲（MHz)頻率的波（在水中的傳播速度是每秒 1486. 45米（m/s))的情況下，對于厚度為76. 20毫米（mm)且由TA6V鐵金屬制成的墊片來 說，分別在步驟E1、E2和E3期間顯示出的標(biāo)繪。波的行程時(shí)間是基于波的開始（給予相應(yīng) 的標(biāo)號100、110和120)而測得的。
[0034] 獲得下面的結(jié)果：
[00對 txi巧2巧3=92. 72微秒（y S)
[0036]tx3= 52. 98/2 = 26. 49ys
[0037] txi=29. 94/2 = 14. 97ys
[0038]X2 -(t)Q+x2+X3-tx3-txi)XV水
[0039] X2 =巧2. 72X10-6-26. 49X10-6-14. 97X1〇-6)X1486. 54
[0040] X2 = 76. 20mm
[0041] 用卡尺測得的厚度確實(shí)是76. 20mm，即3英寸。
[0042] 圖6示出步驟E4,在該步驟期間觀察由零件30透射的波。從而，換能器10工作于 發(fā)射器模式，而換能器20工作于接收器模式。在該圖中入射波被標(biāo)為40,在零件30中傳播 的波被標(biāo)為41，而透射的波被標(biāo)為42。
[0043] 零件30中的波的行程時(shí)間采用t't-(txi+tx3)的形式來表達(dá)。已知事先確定 的X2,材料中波的傳播速度采用Vwfi=X2/t'X2的形式來表達(dá)。
[0044] 圖7示出對于76. 20mm厚度的由鐵金屬（TA6V)制成的墊片來說，仍然在5MHz的 波的情況下，在步驟E4期間觀察到的信號。波的行程時(shí)間是基于波的開始（標(biāo)為130)而 測得的。
[0045] 獲得如下的值：
[0046] t= 53. 80yS
[0047] t'X2 =巧3. 80X10 -6-26. 49X10-6-14. 97X1〇-6)
[0048] t'x2= 12.：Mys
[0049] V= 76. 20X10-3/12.：MXl〇-6
[0化0] 最終，速度的數(shù)值是V= 6175. 04m/s。用傳統(tǒng)的傳播速度測量來驗(yàn)證該值，w便確 認(rèn)該方法有效。
[0化^ 圖8至10示出對于厚度為47. 09mm的復(fù)合材料階梯式墊片，在換能器WIMHz發(fā) 射的情況下，為步驟E2、E3和E4獲得的掃描。波的行程時(shí)間是基于波的開始（給予相應(yīng)的 標(biāo)號140、150和160)而測得的。
[0化2] 獲得如下的值：
[005引 txi+x2+x3=90. 22yS
[0054]t= 74. 90ys
[005引 tx3= 52. 42/2 = 26. 21ys
[0056] txi= 64. 68/2 = 32.：Mys
[0057] X2 - (txi+x2+X3~tx3~txi)
[0化引 X2 =巧0. 22X10-6-26. 21X10-6-32.：MXl0-6)X1486. 54
[0059] X2 = 31. 67X10-6X1488. 76
[0060] X2 = 47. 078mm
[0061] fX2=t-(txi+txs)
[0062] t'x2= (74. 90X10 -6-26. 21X10-6-32. ：MXl〇-6)
[0063] t'X2= 16. 35ys
[0064] V復(fù)合欄=X2/t，X2
[00化]V復(fù)合材料=47. 078X妒/16. 35Xl〇-6
[0066] 最終，速度的數(shù)值是V復(fù)合材料=2879. 4m/s。
[0067] 然后關(guān)注縱波在材料中的衰減。
[0068]從發(fā)射器向接收器發(fā)射的波的幅度的表達(dá)式被如下寫出；Yi = Am"e^wtt"x2+x3>，其 中Am"表示在換能器的表面處的最大幅度，而a1是波在水中的衰減。
[0069] 在通過材料之后從發(fā)射器向接收器發(fā)射的波的幅度的表達(dá)式被如下寫出；Y2= Amaxe^"X〇a+X3>e^a2X2ti2t2i，其中〇2是波在材料中的衰減，*。是從水到材料的幅度傳輸系數(shù)， 而t,i是從材料到水的幅度傳輸系數(shù)。
[0070] 乘積表達(dá)式tisXtsi是材料的聲阻抗Z2=P2XV2和水的聲阻抗Zi=PiXVi的 函數(shù)。在聲阻抗表達(dá)式中，P表示密度，而V表示所考慮的頻率下縱波的傳播速度。
[0071]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種表征復(fù)合材料制成的零件（30)的方法，所述方法包括確定沿所述零件（30)內(nèi) 的一路徑行進(jìn)的縱向超聲波（41)的特征的步驟，所述方法的特征在于由所述零件（30)透 射的縱向超聲波（42)的行程時(shí)間被測量（E4)，透射波（42)的所述行程時(shí)間是通過觀察所 述波的開始（130,160)而被測量的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述縱向超聲波（41)在所述零件（30)中 遵循所述零件（30)中的一路徑的傳播速度被確定。
3. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的表征方法，其特征在于，所述透射波（42)的幅度也 被確定，以便確定所述縱向超聲波（41)在所述零件（30)中行進(jìn)時(shí)受到的總長度衰減或單 位長度衰減。
4. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的表征方法，其特征在于，在沒有所述零件的情況下 傳輸?shù)某暡ǖ膫鞑r(shí)間被測量（El)，以及分別由所述零件的第一面（31)和所述零件的 第二面（32)反射的超聲波的傳播時(shí)間被測量（E2，E3)，以便確定沿所述零件中的一路徑行 進(jìn)的所述縱向超聲波（41)所行經(jīng)的所述零件（30)的尺寸。
5. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的表征方法，其特征在于，所述方法是對由3D機(jī)織復(fù) 合材料制成的零件執(zhí)行的。
【專利摘要】本發(fā)明包括一種用于表征由復(fù)合材料制成的零件(30)的方法，包括確定穿過該零件(30)的縱向超聲波(41)的特征的步驟，其特征在于由該零件(30)透射的縱向超聲波(42)的行程時(shí)間被測量(E4)。
【IPC分類】G01N29-04, G01N29-07
【公開號】CN104870994
【申請?zhí)枴緾N201380066149
【發(fā)明人】J-Y·F·R·查特里爾, N·布勞薩斯-柯拉, J·杜瓦爾, J·N·馬克斯, A·梅耶
【申請人】斯內(nèi)克馬公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2013年12月6日
【公告號】CA2894588A1, WO2014096617A1