飞行器复合材料结构完整性评估与超声检测技术试题及答案

飞行器复合材料结构完整性评估与超声检测技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在碳纤维/环氧层合板中，对超声纵波传播速度影响最大的材料参数是（）。A.纤维体积分数 B.树脂玻璃化转变温度 C.纤维纵向弹性模量 D.树脂固化收缩率答案：C2.采用水浸式C扫描检测T800/M21层合板时，若探头频率从5MHz提高到10MHz，则最显著的变化是（）。A.穿透深度增加 B.近场区长度缩短 C.波长增大 D.声束扩散角减小答案：D3.根据ASTME2580，采用超声背散射法评估孔隙率时，标定试块的人工缺陷宜选用（）。A.平底孔 B.球形孔 C.圆盘形孔 D.横孔答案：B4.在复合材料结构完整性评估中，下列指标最能直接反映层间剪切剩余强度的是（）。A.CAI B.OHC C.ILSS D.FPF答案：C5.对于[0/45/90/45]2s的准各向同性板，若采用0°入射纵波检测，最先被识别的内部缺陷通常是（）。A.基体裂纹 B.纤维断裂 C.分层 D.富脂区答案：C6.在相控阵超声检测中，若阵元中心间距为0.6mm，则避免栅瓣的最高可用频率约为（水中声速1500m/s）（）。A.2.5MHz B.5MHz C.7.5MHz D.10MHz答案：B7.采用激光超声检测CFRP时，热弹激发机制下主要产生的波型是（）。A.纵波 B.横波 C.表面波 D.板波答案：D8.根据复合材料损伤容限设计思想，下列哪项属于“可检”定义的必要条件（）。A.损伤长度≥5mm B.信噪比≥6dB C.检测概率≥90%且置信度≥95% D.超声衰减≤20dB/m答案：C9.在超声导波检测中，若激励频率×板厚乘积为1.2MHz·mm，则CFRP板中最先出现的模态是（）。A.A0 B.S0 C.SH0 D.A1答案：A10.采用全矩阵捕获（FMC）后处理时，下列算法对粗糙曲面适应性最好的是（）。A.SAFT B.TFM C.PCA D.DORT答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列因素会导致超声C扫描图像中出现“亮点”伪像的有（）。A.探头楔块磨损 B.水层厚度波动 C.层合板表面密封胶脱落 D.扫描栅格步距过大 E.仪器增益设置过低答案：A、B、C12.关于复合材料分层缺陷的超声定量表征，下列说法正确的有（）。A.分层面积可用6dB法测定 B.分层深度可用飞行时间法测定 C.分层高度可用超声共振法测定 D.分层尖端应力场可用非线性超声评价 E.分层边缘形状对剩余压缩强度影响可忽略答案：A、B、D13.采用空气耦合超声检测CFRP时，为提高信噪比可采取的措施有（）。A.采用聚偏氟乙烯（PVDF）匹配层 B.降低激励频率至50kHz C.采用脉冲压缩技术 D.在真空环境下检测 E.采用差动式接收阵答案：A、C、E14.在复合材料结构健康监测中，超声导波与应变片监测相比，其优势包括（）。A.可覆盖大范围结构 B.对基体裂纹敏感 C.可识别冲击位置 D.不受温度影响 E.可实现损伤成像答案：A、B、C、E15.根据NASASTD5019，对复合材料超声检测系统进行性能验证时，必须记录的内容有（）。A.探头波束轮廓 B.信噪比 C.穿透深度 D.垂直线性 E.水平线性答案：A、B、C、D、E三、填空题（每空2分，共20分）16.在超声纵波垂直入射条件下，CFRP层合板声阻抗Z≈________×10⁶kg·m⁻²·s⁻¹，若水中声阻抗为1.5×10⁶kg·m⁻²·s⁻¹，则界面声压反射率约为________。答案：8.2，0.6917.采用1MHz超声导波在2mm厚CFRP板中激励S0模态，其群速度约为________m/s；若需检测1m远处的分层，理论飞行时间约为________ms。答案：5500，0.18218.根据混合律，单向CFRP纤维方向弹性模量E₁可由公式E₁=________计算，其中Vf为纤维体积分数，Ef为纤维模量，Em为基体模量。答案：Vf·Ef+(1Vf)·Em19.在相控阵扇扫成像中，若扫描角度范围为±40°，阵元数为32，则理论横向分辨率δx≈________·λ（保留两位小数，λ为波长）。答案：0.7320.采用超声背散射法测定孔隙率时，经验公式αp=K·√f·P，其中αp为衰减系数（dB/mm），f为频率（MHz），P为孔隙率（%），K为材料常数。若测得αp=0.35dB/mm，f=5MHz，K=0.022，则孔隙率P=________%。答案：10四、简答题（每题8分，共24分）21.简述采用超声C扫描对CFRP加筋壁板进行冲击损伤评估时，为何需要同时记录穿透法与反射法信号，并说明两种信号在图像上的典型特征差异。答案：穿透法信号可整体评估冲击区能量衰减，对大面积分层敏感，图像呈低灰度“阴影”；反射法信号可精确定位分层深度，图像呈高灰度“亮斑”。两者互补，穿透法快速筛选，反射法精细定量，避免漏检浅层小分层与深层大分层。22.说明激光超声检测CFRP时，如何利用波型分离技术提取S0模态，并给出一种典型信号处理流程。答案：利用激光线源在板面产生对称/反对称模态，采用双点激光干涉仪对称接收，差分输出抑制A0模态；流程：原始信号→带通滤波（0.5–2MHz）→二维傅里叶变换→波数频率域滤波→逆变换→S0模态时程→群速度计算。23.在复合材料结构完整性评估中，为何引入“损伤无增长”概念？请结合疲劳试验与超声监测数据说明其工程意义。答案：损伤无增长指在寿命期内损伤尺寸不超过允许值，通过疲劳试验加载至10⁶次，用超声定期监测，若分层面积增长<5%，可免除维修，降低运营成本；该概念使设计从“安全寿命”转向“损伤容限+经济维修”，提高结构可用率。五、计算题（共3题，共41分）24.（12分）已知CFRP层合板[0/90]₄s，单层厚度0.125mm，密度ρ=1600kg/m³，纤维体积分数Vf=0.6，纤维纵向模量Ef=230GPa，基体模量Em=3.5GPa，横向模量采用HalpinTsai公式估算，ξ=2。求：（1）0°方向等效弹性模量E₁；（2）90°方向等效弹性模量E₂；（3）若采用5MHz纵波垂直入射0°层，求波长λ（取E₁近似为板纵向模量，泊松比ν=0.3）。答案：（1）E₁=Vf·Ef+(1Vf)·Em=0.6×230+0.4×3.5=138+1.4=139.4GPa（2）HalpinTsai：η=(Ef/Em1)/(Ef/Em+ξ)=(230/3.51)/(230/3.5+2)=64.7/66.7=0.97E₂=Em·(1+ξηVf)/(1ηVf)=3.5×(1+2×0.97×0.6)/(10.97×0.6)=3.5×2.164/0.418≈18.1GPa（3）纵波速CL=√[E₁(1ν)/ρ(1+ν)(12ν)]=√[139.4×10⁹×0.7/(1600×0.91×0.4)]=√[9.76×10¹⁰/5.82×10²]=√1.677×10⁸≈12950m/sλ=CL/f=12950/(5×10⁶)=2.59mm25.（14分）对某CFRP机翼壁板进行相控阵超声检测，阵元中心频率5MHz，阵元间距0.7mm，共64阵元，水程30mm，板厚4mm。要求：（1）计算6dB声束宽度在板中的横向分辨率（水中声速1500m/s，板纵波速2800m/s，忽略折射扩散差异）；（2）若需检测Φ3mm平底孔分层，按NB/T47013要求信噪比≥10dB，已知材料衰减0.02dB/mm，水衰减0.0005dB/mm，探头单程扩散损失3dB，仪器电噪声40μV，探头接收灵敏度50μV/Pa，求所需最小入射声压（假设缺陷回波比噪声高10dB）。答案：（1）波长水λw=1500/(5×10⁶)=0.3mm，近场N=D²/4λw=(64×0.7)²/(4×0.3)=45.2²/1.2=2046mm≫30mm，处于近场区，6dB宽度≈0.7mm（阵元间距）。（2）总单程衰减=水程30×0.0005+板4×0.02+扩散3=0.015+0.08+3=3.095dB缺陷回波需≥噪声+10dB=50μV×10^(10/20)=158μV入射声压P：接收灵敏度50μV/Pa，故缺陷回波声压=158/50=3.16Pa考虑往返衰减2×3.095=6.19dB，即声压衰减10^(6.19/20)=2.04倍最小入射声压=3.16×2.04≈6.45Pa26.（15分）采用超声导波监测CFRP管（外径60mm，壁厚2mm，长度1.5m，E₁=140GPa，ρ=1600kg/m³，ν=0.3）。在f·h=1MHz·mm下测得A0模态群速度1800m/s，S0模态群速度5200m/s。于距激励端0.5m处设置反射端，冲击引入Φ10mm穿透分层。监测信号显示A0反射波包飞行时间0.62ms，S0反射波包飞行时间0.21ms。求：（1）分层距激励端实际距离；（2）若A0反射波包幅值下降6dB，估算分层等效反射系数R（忽略频散与多模态转换）；（3）根据反射系数经验公式R≈1e^(2αA)，其中α=0.12mm⁻¹为分层衰减系数，A为分层面积，求等效反射面积并与实际面积对比，解释差异原因。答案：（1）A0：L=v·t/2=1800×0.62×10⁻³/2=0.558m；S0：L=5200×0.21×10⁻³/2=0.546m；取平均0.552m≈0.55m（2）幅值下降6dB→反射系数R=10^(6/20)=0.50（3）R=1e^(2αA)→0.5=1e^(0.24A)→e^(0.24A)=0.5→A=ln2/0.24=2.89mm²实际面积=π(5)²=78.5mm²，差异大；原因：导波波长（A0≈3.6mm）远大于分层尺寸，散射弱，经验公式基于大分层，且未考虑模态转换与频散能量扩散。六、综合应用题（共30分）27.某型无人机复合材料机翼盒段长2m，蒙皮为CFRP单向带[45/0/45/90]2s，固化后实测厚度2.16mm，设计载荷下最大弯矩区出现多源冲击损伤。现需制定超声检测与完整性评估方案，要求：（1）选择两种互补的超声技术并说明理由；（2）给出检测覆盖率、灵敏度、信噪比三项指标量化要求；（3）制定分层损伤分级维修阈值（含面积、深度、位置三参数）；（4）给出剩余强度评估流程，并说明如何与超声检测结果关联；（5）列出实施过程中三项关键质量控制措施。答案：（1）技术A：水浸式高频相控阵（10MHz，128阵元），高分辨成像，覆盖蒙皮全域；技术B：激光超声导波（0.5MHz），快速筛查加筋区与肋间隐蔽分层，互补实现100%覆盖。（2）覆盖率≥99%（按面积计）；灵敏度≤Φ2mm平底孔当量；信噪比≥12dB（按NB/T47013B级）。（3）分层分级：Ⅰ级（监控）—面积<100mm²且深度<0.5mm；Ⅱ级（限时修理）—面积100–500mm²或深度0.5–1mm