飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估與超聲檢測(cè)技術(shù)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在碳纖維/環(huán)氧層合板中，對(duì)超聲縱波傳播速度影響最大的材料參數(shù)是（）。A.纖維體積分?jǐn)?shù)?B.樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度?C.纖維縱向彈性模量?D.樹脂固化收縮率答案：C2.采用水浸式C掃描檢測(cè)T800/M21層合板時(shí)，若探頭頻率從5MHz提高到10MHz，則最顯著的變化是（）。A.穿透深度增加?B.近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度縮短?C.波長(zhǎng)增大?D.聲束擴(kuò)散角減小答案：D3.根據(jù)ASTME2580，采用超聲背散射法評(píng)估孔隙率時(shí)，標(biāo)定試塊的人工缺陷宜選用（）。A.平底孔?B.球形孔?C.圓盤形孔?D.橫孔答案：B4.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估中，下列指標(biāo)最能直接反映層間剪切剩余強(qiáng)度的是（）。A.CAI?B.OHC?C.ILSS?D.FPF答案：C5.對(duì)于[0/45/90/45]2s的準(zhǔn)各向同性板，若采用0°入射縱波檢測(cè)，最先被識(shí)別的內(nèi)部缺陷通常是（）。A.基體裂紋?B.纖維斷裂?C.分層?D.富脂區(qū)答案：C6.在相控陣超聲檢測(cè)中，若陣元中心間距為0.6mm，則避免柵瓣的最高可用頻率約為（水中聲速1500m/s）（）。A.2.5MHz?B.5MHz?C.7.5MHz?D.10MHz答案：B7.采用激光超聲檢測(cè)CFRP時(shí)，熱彈激發(fā)機(jī)制下主要產(chǎn)生的波型是（）。A.縱波?B.橫波?C.表面波?D.板波答案：D8.根據(jù)復(fù)合材料損傷容限設(shè)計(jì)思想，下列哪項(xiàng)屬于“可檢”定義的必要條件（）。A.損傷長(zhǎng)度≥5mm?B.信噪比≥6dB?C.檢測(cè)概率≥90%且置信度≥95%?D.超聲衰減≤20dB/m答案：C9.在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中，若激勵(lì)頻率×板厚乘積為1.2MHz·mm，則CFRP板中最先出現(xiàn)的模態(tài)是（）。A.A0?B.S0?C.SH0?D.A1答案：A10.采用全矩陣捕獲（FMC）后處理時(shí)，下列算法對(duì)粗糙曲面適應(yīng)性最好的是（）。A.SAFT?B.TFM?C.PCA?D.DORT答案：B二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列因素會(huì)導(dǎo)致超聲C掃描圖像中出現(xiàn)“亮點(diǎn)”偽像的有（）。A.探頭楔塊磨損?B.水層厚度波動(dòng)?C.層合板表面密封膠脫落?D.掃描柵格步距過(guò)大?E.儀器增益設(shè)置過(guò)低答案：A、B、C12.關(guān)于復(fù)合材料分層缺陷的超聲定量表征，下列說(shuō)法正確的有（）。A.分層面積可用6dB法測(cè)定?B.分層深度可用飛行時(shí)間法測(cè)定?C.分層高度可用超聲共振法測(cè)定?D.分層尖端應(yīng)力場(chǎng)可用非線性超聲評(píng)價(jià)?E.分層邊緣形狀對(duì)剩余壓縮強(qiáng)度影響可忽略答案：A、B、D13.采用空氣耦合超聲檢測(cè)CFRP時(shí)，為提高信噪比可采取的措施有（）。A.采用聚偏氟乙烯（PVDF）匹配層?B.降低激勵(lì)頻率至50kHz?C.采用脈沖壓縮技術(shù)?D.在真空環(huán)境下檢測(cè)?E.采用差動(dòng)式接收陣答案：A、C、E14.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，超聲導(dǎo)波與應(yīng)變片監(jiān)測(cè)相比，其優(yōu)勢(shì)包括（）。A.可覆蓋大范圍結(jié)構(gòu)?B.對(duì)基體裂紋敏感?C.可識(shí)別沖擊位置?D.不受溫度影響?E.可實(shí)現(xiàn)損傷成像答案：A、B、C、E15.根據(jù)NASASTD5019，對(duì)復(fù)合材料超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證時(shí)，必須記錄的內(nèi)容有（）。A.探頭波束輪廓?B.信噪比?C.穿透深度?D.垂直線性?E.水平線性答案：A、B、C、D、E三、填空題（每空2分，共20分）16.在超聲縱波垂直入射條件下，CFRP層合板聲阻抗Z≈________×10?kg·m?2·s?1，若水中聲阻抗為1.5×10?kg·m?2·s?1，則界面聲壓反射率約為_(kāi)_______。答案：8.2，0.6917.采用1MHz超聲導(dǎo)波在2mm厚CFRP板中激勵(lì)S0模態(tài)，其群速度約為_(kāi)_______m/s；若需檢測(cè)1m遠(yuǎn)處的分層，理論飛行時(shí)間約為_(kāi)_______ms。答案：5500，0.18218.根據(jù)混合律，單向CFRP纖維方向彈性模量E?可由公式E?=________計(jì)算，其中Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，Ef為纖維模量，Em為基體模量。答案：Vf·Ef+(1Vf)·Em19.在相控陣扇掃成像中，若掃描角度范圍為±40°，陣元數(shù)為32，則理論橫向分辨率δx≈________·λ（保留兩位小數(shù)，λ為波長(zhǎng)）。答案：0.7320.采用超聲背散射法測(cè)定孔隙率時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式αp=K·√f·P，其中αp為衰減系數(shù)（dB/mm），f為頻率（MHz），P為孔隙率（%），K為材料常數(shù)。若測(cè)得αp=0.35dB/mm，f=5MHz，K=0.022，則孔隙率P=________%。答案：10四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.簡(jiǎn)述采用超聲C掃描對(duì)CFRP加筋壁板進(jìn)行沖擊損傷評(píng)估時(shí)，為何需要同時(shí)記錄穿透法與反射法信號(hào)，并說(shuō)明兩種信號(hào)在圖像上的典型特征差異。答案：穿透法信號(hào)可整體評(píng)估沖擊區(qū)能量衰減，對(duì)大面積分層敏感，圖像呈低灰度“陰影”；反射法信號(hào)可精確定位分層深度，圖像呈高灰度“亮斑”。兩者互補(bǔ)，穿透法快速篩選，反射法精細(xì)定量，避免漏檢淺層小分層與深層大分層。22.說(shuō)明激光超聲檢測(cè)CFRP時(shí)，如何利用波型分離技術(shù)提取S0模態(tài)，并給出一種典型信號(hào)處理流程。答案：利用激光線源在板面產(chǎn)生對(duì)稱/反對(duì)稱模態(tài)，采用雙點(diǎn)激光干涉儀對(duì)稱接收，差分輸出抑制A0模態(tài)；流程：原始信號(hào)→帶通濾波（0.5–2MHz）→二維傅里葉變換→波數(shù)頻率域?yàn)V波→逆變換→S0模態(tài)時(shí)程→群速度計(jì)算。23.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估中，為何引入“損傷無(wú)增長(zhǎng)”概念？請(qǐng)結(jié)合疲勞試驗(yàn)與超聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明其工程意義。答案：損傷無(wú)增長(zhǎng)指在壽命期內(nèi)損傷尺寸不超過(guò)允許值，通過(guò)疲勞試驗(yàn)加載至10?次，用超聲定期監(jiān)測(cè)，若分層面積增長(zhǎng)<5%，可免除維修，降低運(yùn)營(yíng)成本；該概念使設(shè)計(jì)從“安全壽命”轉(zhuǎn)向“損傷容限+經(jīng)濟(jì)維修”，提高結(jié)構(gòu)可用率。五、計(jì)算題（共3題，共41分）24.（12分）已知CFRP層合板[0/90]?s，單層厚度0.125mm，密度ρ=1600kg/m3，纖維體積分?jǐn)?shù)Vf=0.6，纖維縱向模量Ef=230GPa，基體模量Em=3.5GPa，橫向模量采用HalpinTsai公式估算，ξ=2。求：（1）0°方向等效彈性模量E?；（2）90°方向等效彈性模量E?；（3）若采用5MHz縱波垂直入射0°層，求波長(zhǎng)λ（取E?近似為板縱向模量，泊松比ν=0.3）。答案：（1）E?=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=0.97E?=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）縱波速CL=√[E?(1ν)/ρ(1+ν)(12ν)]=√[139.4×10?×0.7/(1600×0.91×0.4)]=√[9.76×101?/5.82×102]=√1.677×10?≈12950m/sλ=CL/f=12950/(5×10?)=2.59mm25.（14分）對(duì)某CFRP機(jī)翼壁板進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，陣元中心頻率5MHz，陣元間距0.7mm，共64陣元，水程30mm，板厚4mm。要求：（1）計(jì)算6dB聲束寬度在板中的橫向分辨率（水中聲速1500m/s，板縱波速2800m/s，忽略折射擴(kuò)散差異）；（2）若需檢測(cè)Φ3mm平底孔分層，按NB/T47013要求信噪比≥10dB，已知材料衰減0.02dB/mm，水衰減0.0005dB/mm，探頭單程擴(kuò)散損失3dB，儀器電噪聲40μV，探頭接收靈敏度50μV/Pa，求所需最小入射聲壓（假設(shè)缺陷回波比噪聲高10dB）。答案：（1）波長(zhǎng)水λw=1500/(5×10?)=0.3mm，近場(chǎng)N=D2/4λw=(64×0.7)2/(4×0.3)=45.22/1.2=2046mm?30mm，處于近場(chǎng)區(qū)，6dB寬度≈0.7mm（陣元間距）。（2）總單程衰減=水程30×0.0005+板4×0.02+擴(kuò)散3=0.015+0.08+3=3.095dB缺陷回波需≥噪聲+10dB=50μV×10^(10/20)=158μV入射聲壓P：接收靈敏度50μV/Pa，故缺陷回波聲壓=158/50=3.16Pa考慮往返衰減2×3.095=6.19dB，即聲壓衰減10^(6.19/20)=2.04倍最小入射聲壓=3.16×2.04≈6.45Pa26.（15分）采用超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)CFRP管（外徑60mm，壁厚2mm，長(zhǎng)度1.5m，E?=140GPa，ρ=1600kg/m3，ν=0.3）。在f·h=1MHz·mm下測(cè)得A0模態(tài)群速度1800m/s，S0模態(tài)群速度5200m/s。于距激勵(lì)端0.5m處設(shè)置反射端，沖擊引入Φ10mm穿透分層。監(jiān)測(cè)信號(hào)顯示A0反射波包飛行時(shí)間0.62ms，S0反射波包飛行時(shí)間0.21ms。求：（1）分層距激勵(lì)端實(shí)際距離；（2）若A0反射波包幅值下降6dB，估算分層等效反射系數(shù)R（忽略頻散與多模態(tài)轉(zhuǎn)換）；（3）根據(jù)反射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式R≈1e^(2αA)，其中α=0.12mm?1為分層衰減系數(shù)，A為分層面積，求等效反射面積并與實(shí)際面積對(duì)比，解釋差異原因。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→反射系數(shù)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實(shí)際面積=π(5)2=78.5mm2，差異大；原因：導(dǎo)波波長(zhǎng)（A0≈3.6mm）遠(yuǎn)大于分層尺寸，散射弱，經(jīng)驗(yàn)公式基于大分層，且未考慮模態(tài)轉(zhuǎn)換與頻散能量擴(kuò)散。六、綜合應(yīng)用題（共30分）27.某型無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼盒段長(zhǎng)2m，蒙皮為CFRP單向帶[45/0/45/90]2s，固化后實(shí)測(cè)厚度2.16mm，設(shè)計(jì)載荷下最大彎矩區(qū)出現(xiàn)多源沖擊損傷?，F(xiàn)需制定超聲檢測(cè)與完整性評(píng)估方案，要求：（1）選擇兩種互補(bǔ)的超聲技術(shù)并說(shuō)明理由；（2）給出檢測(cè)覆蓋率、靈敏度、信噪比三項(xiàng)指標(biāo)量化要求；（3）制定分層損傷分級(jí)維修閾值（含面積、深度、位置三參數(shù)）；（4）給出剩余強(qiáng)度評(píng)估流程，并說(shuō)明如何與超聲檢測(cè)結(jié)果關(guān)聯(lián)；（5）列出實(shí)施過(guò)程中三項(xiàng)關(guān)鍵質(zhì)量控制措施。答案：（1）技術(shù)A：水浸式高頻相控陣（10MHz，128陣元），高分辨成像，覆蓋蒙皮全域；技術(shù)B：激光超聲導(dǎo)波（0.5MHz），快速篩查加筋區(qū)與肋間隱蔽分層，互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。（2）覆蓋率≥99%（按面積計(jì)）；靈敏度≤Φ2mm平底孔當(dāng)量；信噪比≥12dB（按NB/T47013B級(jí)）。（3）分層分級(jí)：Ⅰ級(jí)（監(jiān)控）—面積<100mm2且深度<0.5mm；Ⅱ級(jí)（限時(shí)修理）—面積100–500mm2或深度0.5–1mm