复合材料层压结构冲击损伤超声成像评估

刘菲菲，刘松平，郭恩明

（1.中航复合材料有限责任公司／中航工业复合材料技术中心，北京 100024；2.中国航空工业集团公司科技委，北京 100012）

冲击损伤是复合材料层压结构制造和服役过程中比较容易产生的一种缺陷。复合材料具有的各向异性和吸能的特性，易导致复合材料在受到外来冲击作用后，表现出不同的损伤行为。工程上严重的冲击损伤会直接影响复合材料结构的承力性能和结构寿命［1－2］。因此，利用无损检测方法对复合材料进行冲击损伤的检测和损伤行为评估，已成为近年来新兴的一种检测方法。目前，在众多的无损检测方法中，超声是用于复合材料冲击损伤检测与评估的最为重要的方法［3－6］。笔者针对碳纤维复合材料层压结构的特点，通过设计制备复合材料层压结构试样，采用能量冲击模拟方法，在复合材料层压结构内部产生瞬时冲击；然后，利用高分辨脉冲超声成像检测系统实时记录换能器在对含有冲击损伤的复合材料试样自动扫描过程中得到的检测信号和位置信号；在对检测信号和位置信号的融合基础上，通过超声B 扫描成像方法揭示冲击损伤在复合材料层压结构断面的损伤分布及其扩展规律，通过超声T 扫描成像方式揭示冲击损伤在复合材料层压结构不同铺层深度方向的损伤面积和形态分布，从而进行复合材料冲击损伤的超声成像检测与评估。

1 试验方法

1.1 试样

复合材料试样采用树脂转移成型（RTM）缝合液体成型工艺制造而成，为多向铺层结构；增强体为碳纤维，基体为双马树脂，试样厚度约6mm。采用标准冲击试验方法对试样进行冲击，模拟复合材料层压结构受到外来瞬时冲击能量作用而产生的损伤，这也是目前国际上一种常用的复合材料冲击损伤模拟方法。

1.2 成像方法

为了揭示复合材料层压结构试样内部受到的冲击损伤及其分布规律，采用高分辨率脉冲超声反射法，通过断面B扫描和T 扫描成像方法进行冲击损伤的评估。超声扫描成像系统框图如图1所示，其由超声单元、信号处理单元、扫描控制、扫描机构、成像显示及CPU 等主要部分构成。工作时，来自被检测试样中的超声检测信号经信号处理单元数字化处理后，通过PCI总线直接送到CPU 内存中进行有序缓存，扫描机构在扫描控制单元的控制下，按照CPU 预定的扫描运动轨迹，实现超声换能器对被检测试样的扫描；同时，换能器对应的每个检测点的位置信号由扫描结构与扫描单元的位置反馈环经PCI总线实时传送到CPU，CPU 将根据预制成像模式，对所获得的检测点位置坐标和超声检测信号进行信号融合，构建成像域中坐标位置的成像色彩，从而将超声检测结果以图像方式再现出来。成像时，按照设定的显示模式——B 扫描和层深T 扫描对检测结果进行成像显示。

在超声T 扫描成像中，当换能器在扫描机构的控制下，对被检测复合材料试样作（x，y）面扫描时，系统利用信号处理单元记录超声波沿垂直复合材料铺层方向传播时形成的时域回波信号，同时利用扫描控制单元记录对应扫描检测点的位置；然后将回波信号和位置信号进行融合重构，以x为横坐标，y为纵坐标，进行成像显示，即得到对应试样不同层深位置的系列超声C 扫描图像，实现冲击损伤超声伪层析扫描成像，这里称为T 扫描成像，从而再现冲击损伤在不同层深位置铺层方向的分布。在超声B扫描成像中，换能器沿被检测复合材料试样x或y方向进行线扫描，信号处理单元实时记录线扫描过程中，超声波沿试样厚度方向传播形成的全部时域回波信号，然后对回波信号和线扫描行中的位置信号进行融合重构，以x或y为横坐标，以试样厚度或声波在试样中的传播时间t为纵坐标进行成像显示，即得到对应试样不同断面位置的系列超声B扫描图像，实现冲击损伤断面超声成像检测与评估。

图1 超声扫描成像系统框图

1.3 试验设备

针对复合材料结构及其冲击损伤的特点，试验设备采用中航复合材料有限责任公司（原北京航空制造工程研究所）自主研制的CUS－21J高分辨率超声自动扫描成像检测系统，其主要组成如图1所示；其中换能器采用中航复合材料有限责任公司生产的FJ系列高分辨率超声换能器，频率5 MHz，焦点直径约0.5mm，纵向分辨率可达单个复合材料铺层厚度（约0.13 mm）。试验采用专门自动跟踪扫描技术，使信号闸门在扫描过程中能够根据换能器与被检测零件表面之间的距离变化进行自动跟踪，从而准确地获取所设置的扫描层深信号，进行正确的超声成像。

2 试验结果

图2是超声断面B 扫描成像方法得到的一典型碳纤维增强树脂基复合材料层压结构冲击损伤区中心位置附近的超声B 扫描成像结果，图中断面B 扫描图像分为两部分：①非冲击损伤区——即图中L1和L2所指示图像区，分别对应冲击损伤区的两侧好区，其中F所指示的白色亮线灰度分布对应复合材料层压结构表面，B所指示的白色亮线灰度分布对应复合材料层压结构底面；在B扫描中，灰度越亮，表示对应的声波反射信号越强烈，显然，声波在层压结构表面的明显反射比来自其底面的反射信号大，且F和B间的灰度分布均匀，表明在非冲击损伤区，试样内部质量均匀无缺陷，没有形成明显的声波反射。②冲击损伤区——即图中LD所指示的图像区，对应冲击所引起的损伤在试样厚度方向叠加形成的断面损伤区，其中Ld所指示的图像区对应冲击点附近表面目视可见的损伤区，显然在冲击损伤区，出现了明显不同的灰度分布规律，如图中A1至A7所标示的白色灰度亮线条区。

图2 冲击区中心位置附近的超声B扫描成像示例

图3是一组典型的T 扫描结果示例。对来自试样的超声回波信号在时域上分为5 个等间隔tw（即等厚度）进行超声T 扫描，图3（a）中成像结果T1对应试样近表面层深位置，即T1＝2tw，S1和S2所对应的灰度分布对应冲击损伤区；图3（b）成像结果对应T2层深位置，即T2＝3tw，图中除了出现损伤S2引起的超声阴影区外，还出现了新的损伤，如S3和S4所标示的亮灰度区，其中S2与S1的位置基本相同，只是面积有所扩展，S4则为新出现的损伤。

图3（c）中成像结果对应T3层深位置，即T3＝4tw，图中S5所标示的浅亮色灰度分布区为新出现的损伤；图3（d）中成像结果对应T4层深位置，即T3＝5tw，对应试样底面深度位置附近，图中只能看到冲击损伤引起的超声阴影Su。经实际测量声波在复合材料试样中的声速约为3 130m／s。

图3 冲击损伤超声T 扫描成像结果

3 讨论

图2中的超声B 扫描成像结果，清晰地展现了冲击点附件沿复合材料试样厚度方向断面的冲击损伤及其损伤行为：

（1）复合材料受到冲击后，首先会在冲击作用点Ip近表面产生损伤，如图2中A1和A5所标示的白色短亮线灰度；随着冲击载荷沿试样厚度方向传递，在冲击力作用下，会在复合材料内部不同深度铺层位置产生新的损伤，如图2中A2和A6、A3、A4和A7所标示的白色短亮线灰度，而且以冲击点为中心，在试样厚度方向呈现扩散分布特征，如图2中左侧的损伤A1、A2、A3和A4所示，在试样中呈现向深度和冲击点（左）外侧扩展趋势。而A5、A6和A7则呈现向试样深度和冲击点（右）外侧扩展态势，这可能与冲击能量在试样内部的传递规律有关系，由于纤维束在试样厚度方向的缝合作用，使得试样在受到冲击后，冲击能量沿铺层方向的传递和扩散受到一定的约束，竟而沿铺层厚度方向释放，由此产生不同深度的损伤。

（2）图2中也给出了冲击损伤在当前断面层深分布的量化信息。利用B 扫描成像中的纵坐标（声波传播时间）和声速即可得到每个冲击损伤的深度量化信息，而损伤在水平方向的扩展情况，可以直接从B扫描成像中的横坐标得出（图中横坐标刻度的负号仅表示实际扫描的起点方向，沿正向扫描时坐标值为正，沿负向扫描时坐标值为负）。从图2中冲击损伤在断面层深的分布可以看出，在冲击点附近，A1、A2、A3、A4与A5、A6、A7在深度方向上有相近的位置分布特性，例如A1与A5几乎位于同一铺层深度位置（深度分别约为0.8，0.7mm），同样A2与A6、A4与A7也几乎处于相同铺层深度位置。

（3）图2中呈现出了复合材料层压结构试样在受到冲击时，其表面损伤与内部损伤的迥然不同的破坏特征，可以利用Ld和LD的长度来表述二者的差别。例如，在图2中的LD（对应试样内部损伤区）长度约为33.8mm，而Ld（对应试样表面损伤区）长度则约为16.5mm，显然，LD比Ld的值大得多，冲击引起的复合材料试样内部损伤比表面损伤要大得多。

（4）利用声速与图2中B扫描图像纵坐标时间的关系，还可以估算表面损伤（压坑）的断面深度Hi，不难得出图2中B扫描位置的压坑断面深度约为0.4mm。

图3中的超声T 扫描成像结果，直观地展现了复合材料不同深度位置的冲击损伤及其沿铺层方向的扩展与损伤行为：

（1）图3中展现的是试样内部两个不同层深位置的冲击损伤沿铺层方向的分布。在图3（a）T1层深扫描结果中，可以清晰地看到靠近试样冲击点层深位置附近的损伤在铺层方向的发分布与面积，如图中白色点画线所标示的亮色灰度分布区，可以将T1中显示的损伤区分为两个损伤群S1和S2，其中S2分布在冲击点周围，面积较大，这与图2 中的B扫描成像结果一致，即在冲击点附近，损伤严重；在图3（b）T2层扫描结果中，除了出现损伤S2引起的超声阴影区外，还出现了新的损伤，如S3和S4所标示的亮灰度区，其中S2与S1的位置基本相同，只是面积有所扩展，S4则为新出现的损伤，其位置分布离冲击点更远一些，这同样与图2中所呈现的损伤随着深度增加向周围扩展的特征一致。

（2）随着超声T 扫描深度的增加，在图3（c）中的T3层深扫描结果中，损伤S2引起的超声阴影特征更加明显，不过，在S2周围还是能看到较弱的浅亮色灰度分布，如T3中S5所标示的浅亮色灰度分布区所示；这表明随着试样深度的增加，冲击损伤自冲击点向周围扩展，只是随着深度的增加，入射声波衰减效应明显，换能器接收到来自损伤的信号较弱，因而其灰度显示不如近表面损伤的灰度亮。图3（d）中T4层深扫描成像对应试样底面深度位置附近，因而在T4中只能看到冲击损伤引起的超声阴影Su，而且是各个冲击损伤在厚度方向的叠加面积，在图2中也可以非常清晰地看到这种冲击损伤引起的超声阴影。试样内部冲击损伤区实际上是T1到T4中再现的损伤区的叠加面积总和，如图白色椭圆单点划线所表示区域。

4 结论

基于高分辨率脉冲反射法，采用超声B 扫描和T 扫描成像方法对碳纤维增强树脂基复合材料层压结构内部冲击损伤及其损伤行为进行了检测试验和评估分析。试验结果表明：通过超声B 扫描成像方法，可以清晰地再现冲击损伤在复合材料层压结构试样内部不同断面方向的分布、扩展过程、损伤特征，也可以得到冲击点附近试样内部表面损伤分布特征，而且还可以确定损伤在复合材料试样中的深度位置、表面冲击坑等量化信息；通过超声T 扫描成像方法，可以得到损伤在复合材料试样铺层方向的分布与扩展特征，从而进行损伤范围（面积）评估。超声B扫描和T 扫描成像相结合，可从试样厚度和铺层两个方向进行复合材料层压结构冲击损伤的检测与评估，实现复合材料冲击损伤可视化成像的检测与量化评估，揭示复合材料内部的冲击损伤行为，目前该项技术已经得到了大量的实际检测应用。

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