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摘 要

铺设形式是纤维增强型复合材料层合板重要的设计参数。铺层方向加工差错，包括纤维方向错排和叠层顺序错误，都将严重影响层板的强度、刚度和疲劳行为，利用超声波技术对材料进行无损检测可以识别铺层的方向，以提升复合材料性能的可靠性。基于超声C扫的脉冲反射原理，可以通过缺陷回波F和底面回波B获取纤维铺层方向的信息。本文通过matlab构造了一段数据处理算法，对超声信号进行分析处理，正确的识别了纤维增强型复合材料的铺层方向。主要内容包括：

1、开展超声C扫实验分析，基于脉冲反射法采用水浸检测系统，对正交CFRP和准各向同性CFRP进行数据收集，最后通过便携式移动计算机统计数据；

2、通过matlab软件，绘制二维空间图和二维波数域图，对单层纤维方向进行识别。最后将其转化为幅度-角度曲线，并叠加形成角度-时间图，分析得出两块CFRP的铺层方向。

关键词：超声C扫 铺层方向 CFRP

Research on Ultrasonic Method for Recognition of Fiber Reinforced Polymer

Abstract

The laying form is an important design parameter of Fiber Reinforced Polymer. Processing errors in the ply direction, including misalignment of the fiber direction and wrong stacking order, will seriously affect the strength, stiffness and fatigue behavior of the ply. Non-destructive testing of the material using ultrasonic technology can identify the direction of the ply to improve the composite Reliability of performance. Based on the pulse reflection principle of ultrasonic C-scan, the information of the fiber layup direction can be obtained through the flaw echo F and the bottom echo B. In this paper, a section of data processing algorithm is constructed by matlab to analyze and process the ultrasonic signal, and the direction of the fiber reinforced composite material is correctly identified. The main contents include:

1. Carry out ultrasonic C-scan experiment analysis, adopt water immersion detection system based on pulse reflection method, collect data on orthogonal CFRP and quasi-isotropic CFRP, and finally count data through portable mobile computer;

2. Using matlab software, draw a two-dimensional space map and a two-dimensional wavenumber domain map to identify the direction of single-layer fibers. Finally, it is converted into an amplitude-angle curve and superimposed to form an angle-time graph, and the analysis results in the direction of the two CFRP layers.

Key Words: ultrasonic C-scan; Layer direction; CFRP

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 纤维增强型复合材料 1

1.1.1 纤维增强型复合材料简介 1

1.1.2 纤维增强型复合材料的应用 2

1.2 复合材料结构无损检测的国内外研究现状 4

1.2.1 国外研究现状 4

1.2.2 国内研究现状 6

1.2.3 CFRP层板铺层方向检测的研究现状 6

第二章 超声扫描实验 7

2.1 实验装置介绍 7

2.1.1 机械扫查平台 7

2.1.2 固体材料超声检测装置 7

2.2 超声成像方法 8

2.3 本课题实验平台 9

2.4 本章小结 11

第三章 纤维方向识别 12

3.1 三维超声信号预处理 12

3.2 纤维方向识别的信号处理方法 14

3.2.1 绘制二维空间图 14

3.2.2 绘制二维波数域图 15

3.2.3 “上层明显”原则 16

3.3 本章小结 17

第四章 铺层顺序识别 18

4.1 铺层顺序识别的信号处理方法 18

4.2 正交CFRP 20

4.3 准各向同性 CFRP 22

4.4 本章小结 25

第五章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 31

第一章 绪论

1.1 纤维增强型复合材料

1.1.1 纤维增强型复合材料简介

纤维增强型复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)，该材料是利用短切或连续的纤维及其织物对现有的树脂基体材料进行强化，将纤维与基体材料通过相互缠绕、拉挤或压模等成型工艺进行制备所得^[1]。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最为成熟并且应用最广泛的一种纤维增强型复合材料，它是由具有高强度的碳纤维和高性能的树脂基体材料复合而成，具有多种优异的性能：其强度-重量比高、劲度质量比高、良好的疲劳特性、稳定的化学性能、优异的抗腐蚀性能、良好的阻震性能，并且具有良好的可设计性^[2]。与SAE1010碳素结构钢相比，高强度碳纤维增强型复合材料的强度-重量比是其的二十倍，并且劲度质量比也是其的三倍以上，CFRP在相同的表观密度时，具有很大的抗拉强度和密度。可设计性：可以通过改变增强纤维的铺设方向及使用的数量，对CFRP进行结构上的设计，使得其达到所需的性能要求，该有点有助于提高材料的利用率，节省材料，并且简化了制备的工艺要求。抗疲劳：当碳纤维增强树脂基复合材料出现裂纹时，在裂纹扩散向材料内层深入时，会被某一层的碳纤维所截断，使得裂纹在本层内扩散，不再持续向内扩展，研究表明CFRP的疲劳强度可达静力强度的90%。CFRP层板及铺层旋转坐标系示意如图1-1所示 ^[3]。

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