用于表征由復合材料制成的零件的方法
【專利說明】用于表征由復合材料制成的零件的方法
[000。巧術領域與現有巧術
[0002] 本發明在表征由復合材料制成的零件的方法的領域中，在機械工業領域中，尤其 在航空工業領域中。
[0003] 在某一給定的零件被開發時，有必要知道該零件的某一給定區域中的纖維含量和 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收發器模式使用超聲換能器。然后關注該零件的由 相互平行的前表面和后表面限定的區域。縱波被引導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構的=維3D機織復合材料。對于具有工業厚度的零件來說，由于強吸 收，在該些材料上獲得的記錄中后回波是不可見的。
[0006] 從而有必要開發一種適合于應用于由復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的方法。
[0007] 發巧的定交P又及相關巧的優點
[000引本發明設及一種表征由復合材料制成的零件的方法，該方法包括確定沿零件內的 一路徑行進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 時間。
[0009] 通過該技術，與收發器模式測量中缺少后回波相關的問題得到克服。
[0010] 根據一有利的特征，透射波的行程時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，或由特定復合材料的復雜的、非均勻 的、且各向異性的結構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] 在一實現中，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。
[0014] 在另一實現中，該實現可與前述實現相組合，還測量透射波的幅度W便確定縱向 超聲波在零件中行進時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。
[0016] 較佳地，測量在沒有零件的情況下傳輸的超聲波的傳播時間，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間，W便確定傳遞沿零件中的一路徑行 進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，而該尺寸在由復合材料制成的零件中是相當多變的，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機織復合材料制成的零件來執行該方法。
[0019] 該些材料尤其難W被表征，因為它們的非均勻性W及因為它們的各向異性。通過 本發明，就可能快速且可靠地研究它們，尤其是在零件正被開發的情況下。
[0020] 附圖簡巧
[0021] 圖1示出在執行本發明的方法的上下文中的預備操作。
[0022] 圖2示出本發明中執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] 一連現的具體描i術
[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。該種放成對齊構成 了預備步驟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的連續調整之后，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（標為30)的材料的厚度進行測量。該測量需要精確 至IJ1微米內。
[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 間的水的行程時間。第二步驟在于在換能器10按收發器工作且面對零件30的第一表面 (標為31)的情況下測量由該表面31反射的波的行程時間。第=步驟在于在換能器20接 著按收發器工作且面對零件30的第二表面（標為32)的情況下測量由該表面32反射的波 的行程時間。
[0031] 每次通過觀察信號的開始而非信號的拱，來測量行程時間。該使得操作者可能無 視與信號的可能相移相關聯的任何現象。具體來說，在存在多重反射的情況下，相移出現。 該同樣在反射后信號被反轉時發生。信號的拱的形狀被修改，且難W獲得行程時間的精確 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期間顯示出的標繪。波的行程時間是基于波的開始（給予相應 的標號100、110和120)而測得的。
[0034] 獲得下面的結果：
[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為40,在零件30中傳播 的波被標為41，而透射的波被標為42。
[0043] 零件30中的波的行程時間采用t't-(txi+tx3)的形式來表達。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。
[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。波的行程時間是基于波的開始（標為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，速度的數值是V= 6175. 04m/s。用傳統的傳播速度測量來驗證該值，w便確 認該方法有效。
[0化^ 圖8至10示出對于厚度為47. 09mm的復合材料階梯式墊片，在換能器WIMHz發 射的情況下，為步驟E2、E3和E4獲得的掃描。波的行程時間是基于波的開始（給予相應的 標號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復合欄=X2/t，X2
[00化]V復合材料=47. 078X妒/16. 35Xl〇-6
[0066] 最終，速度的數值是V復合材料=2879. 4m/s。
[0067] 然后關注縱波在材料中的衰減。
[0068]從發射器向接收器發射的波的幅度的表達式被如下寫出；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射器向接收器發射的波的幅度的表達式被如下寫出；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， 而t,i是從材料到水的幅度傳輸系數。
[0070] 乘積表達式tisXtsi是材料的聲阻抗Z2=P2XV2和水的聲阻抗Zi=PiXVi的 函數。在聲阻抗表達式中，P表示密度，而V表示所考慮的頻率下縱波的傳播速度。
[0071]
【主權項】
1. 一種表征復合材料制成的零件（30)的方法，所述方法包括確定沿所述零件（30)內 的一路徑行進的縱向超聲波（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)的行程時間被測量（E4)，透射波（42)的所述行程時間是通過觀察所 述波的開始（130,160)而被測量的。
2. 根據權利要求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. 根據前述任一項權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)中行進時受到的總長度衰減或單 位長度衰減。
4. 根據前述任一項權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 傳輸的超聲波的傳播時間被測量（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間被測量（E2，E3)，以便確定沿所述零件中的一路徑行 進的所述縱向超聲波（41)所行經的所述零件（30)的尺寸。
5. 根據前述任一項權利要求所述的表征方法，其特征在于，所述方法是對由3D機織復 合材料制成的零件執行的。
【專利摘要】本發明包括一種用于表征由復合材料制成的零件(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)的行程時間被測量(E4)。
【IPC分類】G01N29-04, G01N29-07
【公開號】CN104870994
【申請號】CN201380066149
【發明人】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