夏美玲，盧 超，車 飛

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

膠接結(jié)構(gòu)最突出的特點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度超過任何金屬，此外還有阻裂、吸波、減震和隔音等特殊作用，目前已廣泛用于航空航天工業(yè)。膠接技術(shù)的廣泛應(yīng)用使膠接質(zhì)量及可靠性問題日益突出，對(duì)無損檢測(cè)的技術(shù)要求也越來越迫切。所以，膠接接頭的無損檢測(cè)研究意義重大。

1 鋁膠接板中的蘭姆波理論頻散曲線

蘭姆波是一種頻散波，根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移形態(tài)的特點(diǎn)分為對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式。在厚度為b的無限大固體自由平板中，蘭姆波頻散方程為：

對(duì)稱模式

反對(duì)稱模式

圖1 蘭姆波在鋁板中的相速度曲線

根據(jù)相速度與激勵(lì)角的關(guān)系，同樣用Matlab編程得到激發(fā)角－頻厚積曲線（圖3），利用關(guān)系式k＝ω／cP，由相速度－頻率曲線也可以計(jì)算出頻率－波數(shù)曲線（圖4）。

由以上理論，2 mm 厚鋁板的理論蘭姆波模式見表1。

表1 2mm 厚鋁板的理論蘭姆波模式

2 有限元建模

2.1 材料參數(shù)

金屬鋁板厚2mm，長(zhǎng)102mm，寬40mm，搭接區(qū)長(zhǎng)15mm，膠層厚0.2mm。其他參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

2.2 激勵(lì)信號(hào)

依照聲－超聲激發(fā)方式，垂直施加瞬時(shí)壓力，模擬入射縱波，輸入載荷值采用通過高斯函數(shù)調(diào)制的正弦信號(hào)。接頭兩端加入吸聲材料，以減少蘭姆波的反射。信號(hào)函數(shù)為：

式中τ為信號(hào)的脈沖時(shí)間，脈沖周期取決于所施加信號(hào)的頻率大小。

在板右側(cè)每隔1mm 設(shè)定一參考點(diǎn)，連續(xù)取32個(gè)，提取32組節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，輸入Matlab進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的處理。施加信號(hào)位置如圖5。

圖5 施加激勵(lì)信號(hào)

2.3 網(wǎng)格劃分

如圖6，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，鋁板層網(wǎng)格尺寸為3mm（長(zhǎng)）×1mm（寬）×0.25mm（高）；膠層部分網(wǎng)格尺寸0.5mm（長(zhǎng)）×1mm（寬）×0.25mm（高），接頭部分細(xì)化網(wǎng)格0.5 mm×1 mm×0.05mm。

圖6 網(wǎng)格劃分

2.4 信號(hào)處理

分別使用0.5，1.0和2.5 MHz三種頻率激發(fā)膠接板中傳播的蘭姆波。采用二維傅里葉變換法（2D－FFT）進(jìn)行蘭姆波模式識(shí)別。通過將接收到的幅度－時(shí)間記錄變換到各離散頻率點(diǎn)的幅度－波數(shù)記錄，得到三種頻率下頻率－波數(shù)頻散曲線圖，從而可分解出各蘭姆波模式并測(cè)出它們的幅值。由圖7得到模擬產(chǎn)生的蘭姆波模式見表3。

表3 模擬產(chǎn)生的蘭姆波模式

3 試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)采用CTS－22型模擬超聲探傷儀作為超聲發(fā)射接收器，所接收Lamb波經(jīng)40MHz高速數(shù)據(jù)卡采集后傳入計(jì)算機(jī)中。研究中使用Matlab軟件編制操作平臺(tái)。探頭用2.5 MHz，固定接收探頭，在發(fā)射和接收探頭上加壓塊，消除耦合帶來的影響，從接收探頭處開始空間采樣，以步距1mm 向前移動(dòng)，每移動(dòng)一次采樣一次，一共采集32組數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將所接收d0～d31位置的32組數(shù)據(jù)構(gòu)成u（x，t），作二維傅里葉變換，得到H（k，f）的等高線圖和三維幅值圖見圖8。

由試驗(yàn)所得激發(fā)頻率為2.5 MHz時(shí)，蘭姆波模式為A1，S1，A0和S0。

4 分析與結(jié)論

以上結(jié)果均是應(yīng)用二維傅里葉變化的方法識(shí)別蘭姆波的，試驗(yàn)驗(yàn)證了其模式識(shí)別的可行性。

（1）低頻激發(fā)時(shí)，蘭姆波模式相對(duì)單一，主要是A0和S0模式。

（2）2.5MHz時(shí)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，說明蘭姆波傳播經(jīng)過膠接區(qū)域，會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)化。

（3）低頻激發(fā)蘭姆波，模擬結(jié)果與理論及試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

（4）驗(yàn)證了采用有限元分析方法模擬膠接接頭中蘭姆波傳播模式的可行性。但由于蘭姆波的多模式－頻散特性，模擬的準(zhǔn)確性有待提高。

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