基于互相关系数的钢_玻璃钢...构粘接质量的超声仿真与评价_李秋锋.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-09-13 基金项目:江西省高等学校教学改革研究省级课题重点项目（JXJG-20-8-1）；江西省自然科学基金重点项目（0212ACB204014）作者简介:李秋锋（1976），男，江西南昌，博士，教授，硕士生导师，主要从事超声检测理论和实践教学、超声检测技术及仪器等方面的工作，。引文格式:李秋锋，严濛，黄丽霞，等.基于互相关系数的钢/玻璃钢结构粘接质量的超声仿真与评价J.实验技术与管理,2023,40(2):98-102.Cite this article:LI Q F,YAN M,HUANG L X,et al.Ultrasonic simulation and evaluation of bonding quality for Fe/GFRP structure based on cross-correlation coefficientJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):98-102.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.016 基于互相关系数的钢/玻璃钢结构粘接质量 的超声仿真与评价 李秋锋，严 濛，黄丽霞，黄 华，贾志华（南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌 330063）摘 要：为了利用两种材料的复合特性，通常采用粘接形式将它们结合在一起，粘接质量严重影响该复合结构的各项性能。该文针对钢/玻璃钢结构粘接质量检测需要，将互相关理论应用于超声检测中，通过不同检测参数下损伤信号和健康信号的互相关系数，研究互相关系数与脱粘尺寸间的内在联系及最佳检测参数。仿真结果表明，采用 500 kHz 频率和 45入射角检测时，互相关系数与脱粘大小具有较好的线性关系，可以实现对粘接结构质量的定量评价。关键词：钢/玻璃钢结构；超声仿真；互相关系数；定量评价 中图分类号：G642；TB5 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0098-05 Ultrasonic simulation and evaluation of bonding quality for Fe/GFRP structure based on cross-correlation coefficient LI Qiufeng,YAN Meng,HUANG Lixia,HUANG Hua,JIA Zhihua(College of Measurement and Optoelectronic Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)Abstract:In order to make use of the composite characteristics of the two materials,they are usually bonded together by bonding.The bonding quality will seriously affect the properties of the composite structure.In this paper,according to the needs of bonding quality testing of steel/FRP structures,the cross-correlation theory is applied to ultrasonic testing.Through the cross-correlation coefficient of damage signal and health signal under different testing parameters,the internal relationship between the cross-correlation coefficient and the size of debonding and the optimal testing parameters are studied.The simulation results show that there is a good linear relationship between the number of mutual relations and the size of debonding when the frequency of 500 kHz and the angle of incidence of 45 are used for testing,and the quantitative evaluation of the quality of bonded structure can be realized.Key words:Fe/GFRP structure;ultrasonic simulation;cross-correlation coefficient;quantitative evaluation 粘接结构因其比强度、比模量高、造价低等优势已被广泛应用于各个工业领域。金属/金属、非金属/非金属以及金属/非金属 3 种粘接结构是目前常用的粘接形式，其中由高声阻抗材料和低声阻抗材料粘接而成的钢/玻璃钢粘接结构就是金属/非金属粘接结构代表之一。而在粘接过程中由于粘接工艺和在役损伤等许多实际原因，在其粘接界面经常会出现分层、脱粘等缺陷，严重影响粘接结构的完整性，在使用过程中可能造成灾难性后果1。在粘接工艺之前未对粘接界面进行清洗，粘接剂涂抹不均匀或未采用合适的固化工艺等都会导致粘接界面脱粘或弱粘接，而且使用环境和残余应力也会影响粘接结构的使用效果2-3。因 李秋锋，等：基于互相关系数的钢/玻璃钢结构粘接质量的超声仿真与评价 99 此，粘接质量的检测与评价对于保证粘接结构的有效性和可靠性具有重要意义。根据目前粘接结构的应用现状，亟需采用快速有效的检测技术对其进行检测，及时找到破坏粘接结构性能的脱粘缺陷，从而避免在使用过程中发生重大事故。目前，常用于粘接结构的检测方法有超声检测、红外热成像、射线照相法以及渗透法等，超声检测技术因其具有许多突出优势，已成为粘接结构无损检测应用最广泛的检测技术3-5。但是由于检测对象是由两种材质差异较大的板材粘接而成，采用超声检测时，不论粘接质量如何，在材料界面处都会产生较大的界面回波，同时还可能存在检测盲区，这些将严重干扰对粘接质量的检测结果。互相关分析方法是一种经典的信号处理方法，在检测信号处理中应用较多6。欧阳灵等7在提出的基于先验估计的自适应窗函数算法中，应用了互相关运算方法，应用信噪比较低的检测信号提高了成像质量；贾瑞生等8针对微震信号特点，提出一种微震信号降噪方法，利用原信号与各 IMF 之间的互相关系数辨识出噪声与信号的分界，通过滤除高频噪声，取得了明显的降噪效果；刘备等9在超声检测信号降噪方法研究中，也同样通过计算分解出来的多个 IMF 分量与信号间的互相关系数，并结合小波分析，进一步提高了检测信号信噪比；史风栋等10测量低流速下的液体超声多普勒流量信号中，应用多重互相关运算的处理方法，不仅保留了有用信号特征，而且噪声干扰被有效滤除，超声波多普勒流量计的性能得到了提升和改进；鲍晶晶等11为了检测飞行时间测量法中信号起振点，运用时域互相关法，通过测量飞行整周期时间和计算出频域信息中的相位差，有效提高了测量精度。因此，本文提出了一种基于互相关系数的超声信号处理方法，对钢/玻璃钢粘接结构的粘接质量进行超声评价。1 互相关分析 研究两个变量之间的线性关系问题，称为互相关分析，而互相关函数就是用来描述两个相似信号的相关程度，它是表示两个信号之间依赖关系的相关统计量，针对两个连续信号 x(t)、y(t)互相关函数定义如 式（1）12-13：1()()()Nxyx ty tRN+=（1）即信号 x(t)在时刻 t，信号 y(t)在时刻 t+相乘的平均值。其中 是延迟时间，2N 为采样点。因为 Rxy()的每个点有 N 个乘积的平均，所以必须有 2N 个采样点。对信号 x(t)、y(t)以时间间隔t 进行采样，假定单位延迟时间=t，得到=nt，t=ta，其中 n 是延迟时间序列，a 是时间序列，得到两个离散信号的互相关函数表达式如式（2）：1()()()Nxyx ay anRnN+=（2）在实际情况下，为了更加形象地表达出两个变量的相关性，在基于互相关函数的基础上定义了互相关系数：()(),|()|1(0)(0)xyxyxyxyRRR=（3）互相关系数()xy绝对值越大，说明两个变量的相似度越大。基于上述互相关评估的理论，可以通过互相关系数间接反映缺陷大小引起的差异。以无缺陷完整结构中的检测信号为参考信号，与之相关性越差，相关系数越小，实际缺陷尺寸就越大。2 仿真过程与分析 本次研究采用超声波三维仿真软件 Wave3000 模拟超声导波在钢/玻璃钢板型完整粘接结构以及含不同大小脱粘结构中的传播过程，采用分离变量法，分别对不同检测频率和入射角度的测试结果进行了对比和优化，获得最佳检测参数。2.1 仿真模型设计及测试方法 用 Wave3000 建立完整的钢/玻璃钢板状粘接结构模型前，先确定一个完整的模块，大小为 600 mm 40 mm11 mm。在高度方向分为 3 层，厚度分别为上层 8 mm，中间层 0.5 mm，底层 2.5 mm，具体如图 1所示。图 1 完整模块图 在完整的模块中分别设置钢层和玻璃钢层的各类参数，即中间层对应外层钢厚度 0.5 mm，底层对应玻璃钢厚 2.5 mm，其中钢的材料属性设置为：密度 1=7.9 g/cm3，杨氏模量 E1=210 000 MPa，泊松比 v1=0.3；玻璃钢密度 2=1.7 g/cm3，杨氏模量 E2=8 300 MPa，泊松比 v2=0.22。仿真时采用一发一收的方式采集信号，激励源位于 y=55 mm 处，激励信号以 60o角度从有机玻璃中入射，有机玻璃厚度为 8 mm（对应完整模块的上层），长度为 100 mm，接收源位于 y=250 mm处，源直径设置为 10 mm，接收传感器直径设置为 5 mm，增益 100 dB。设置好各材料的详细参数、灰度100 实 验 技 术 与 管 理 值（有机玻璃 200、玻璃钢 100、钢 50）及边界条件等，如图 2（YZ 平面截面图）所示。图 2 钢/玻璃钢板状粘接结构 YZ 截面图 在完整结构的基础上再建立 6 组脱粘缺陷，深度为 0.2 mm，长宽分别为 5 mm5 mm、10 mm10 mm、15 mm15 mm、20 mm20 mm、25 mm25 mm 和 30 mm30 mm 的矩形，分别以 D1D6 进行编号，以D6 脱粘模型为例，YZ 平面截面图如图 3 所示。图 3 尺寸 30 mm 脱粘缺陷模型图 2.2 不同频率的测试结果及分析 首先研究不同激励频率时的检测结果，仿真激励信号采用 200 和 500 kHz 两种频率进行激励，激励频率采用窗函数调制应力幅值随时间变化的正弦信号，函数表达式为 20.5 1 cossin(2),0()0,ftfttf tnt-（4）其中，为信号的脉冲时间，激励信号的脉冲周期 T要根据实际情况进行选取，通常取值为 5 个周期14-15。对比包含不同尺寸脱粘缺陷的钢/玻璃钢粘接板型结构中接收传感器采集得到的波形，和健康完整结构的接收源中采集到的波形，由于 Wave3000 可以分别求出纵波和横波的传播，所以将纵波和横波分别与健康信号进行对比，以 D6 脱粘缺陷检测结果为例，得