（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的必然趨勢。與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比剛度更高，同時(shí)兼?zhèn)淠湍p、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，滿足航空領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)苛刻性能的追求。許多研究表明，將先進(jìn)復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛行器之中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)顯著減重，而且可以提高飛行器的機(jī)動(dòng)及隱身性能。例如，美國NASA的Langley研究中心在《航空航天用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展報(bào)告》中指出，復(fù)合材料機(jī)翼機(jī)身和氣動(dòng)剪裁技術(shù)能夠獲得亞音速運(yùn)輸機(jī)24.3%的減重效果[1]。復(fù)合材料吸波結(jié)構(gòu)在不明顯增加結(jié)構(gòu)重量的前提下具有吸波和承載雙重功能，是先進(jìn)航空裝備實(shí)現(xiàn)高隱身不可或缺的關(guān)鍵材料[2]。然而，由于加工工藝原因，復(fù)合材料本身具有非常明顯的分散性，且材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)形式和非線性特征復(fù)雜，導(dǎo)致其強(qiáng)度、破壞形式及使用壽命難以預(yù)測[3]。因此，開展針對復(fù)合材料的原位、快速、高效的損傷檢測和性能評估方法的研究可以提高航空結(jié)構(gòu)安全性，促進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[4]。

在眾多無損檢測方法中，激光超聲技術(shù)隨著激光激勵(lì)技術(shù)的日益發(fā)展得到了越來越多的關(guān)注。與常規(guī)的水浸式超聲檢測利用壓電換能器激勵(lì)結(jié)構(gòu)中的超聲波不同，激光超聲技術(shù)采用激光照射產(chǎn)生的熱彈效應(yīng)激勵(lì)結(jié)構(gòu)中的超聲波，其特點(diǎn)在于激勵(lì)方式是遠(yuǎn)距離、非接觸的，且通過偏轉(zhuǎn)反射鏡的角度進(jìn)行光路的控制就能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的掃描[5-6]。目前，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷評估[7]、材料表面缺陷識別[8]等方面，激光超聲技術(shù)都進(jìn)行了很好的試驗(yàn)驗(yàn)證。特別是針對具有復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)（如管壁結(jié)構(gòu)、鉆頭、風(fēng)機(jī)槳葉以及渦輪葉片等），該方法也有很好的檢測效果[9-11]。隨著硬件系統(tǒng)的進(jìn)一步集成與發(fā)展，激光超聲技術(shù)的應(yīng)用已得到初步的工程驗(yàn)證。西班牙先進(jìn)航空技術(shù)中心利用激光超聲檢測系統(tǒng)對復(fù)合材料機(jī)翼前緣進(jìn)行了激光縱波的檢測方法驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了該方法在復(fù)合材料中的孔隙率檢測[12]。韓國全北國立大學(xué)根據(jù)激光激勵(lì)出的Lamb波，對復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃查，初步實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)沖擊損傷的定位[13]。此外，洛克希德·馬丁公司采用激光超聲檢測技術(shù)對F-22的復(fù)合材料進(jìn)氣道進(jìn)行了無損檢測方法的驗(yàn)證[14]。本文以南京航空航天大學(xué)開展的激光超聲技術(shù)研究為基礎(chǔ)，針對復(fù)合材料應(yīng)用中存在的安全評估問題，介紹了激光超聲技術(shù)在復(fù)合材料損傷成像、力學(xué)參數(shù)識別以及疲勞特性評估3方面的應(yīng)用。

激光超聲技術(shù)原理

激光超聲技術(shù)采用高能激光脈沖照射結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)激發(fā)出超聲波。根據(jù)超聲波傳導(dǎo)形式不同，該技術(shù)可分為縱波與Lamb波兩種形式。其中，利用縱波的激光超聲檢測與傳統(tǒng)的超聲C掃檢測類似。根據(jù)沿厚度方向傳播的縱波回波或透射情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別[15]；而利用Lamb波的激光超聲檢測則是采用掃描激勵(lì)或掃描傳感的方式獲取結(jié)構(gòu)中待測區(qū)域的Lamb波傳播數(shù)據(jù)，通過分析Lamb波的傳播特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、材料參數(shù)等方面的識別，綜合評估結(jié)構(gòu)的安全性能[16]。

以掃描激勵(lì)式的激光超聲技術(shù)為例，Lamb波傳播數(shù)據(jù)測量的原理如圖1所示，高能激光脈沖在結(jié)構(gòu)的待測區(qū)域內(nèi)激勵(lì)Lamb波，同時(shí)在固定位置采用激光多普勒測振儀或聲發(fā)射傳感器獲取Lamb波響應(yīng)信號?；诼晫W(xué)互易原理，獲得的Lamb波信號可以認(rèn)為是在檢測區(qū)域內(nèi)布置傳感器獲取固定點(diǎn)激勵(lì)的Lamb波信號。當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行掃描并采集信號時(shí)，這個(gè)過程可以等效為在檢測區(qū)域內(nèi)密布了傳感器陣列同時(shí)獲取固定位置激勵(lì)的Lamb波，從而形成波場數(shù)據(jù)。提取波場數(shù)據(jù)中任意時(shí)刻t的數(shù)據(jù)，則可獲得該時(shí)刻下 Lamb 波的波場強(qiáng)度圖。沿著時(shí)間軸逐次抽取相應(yīng)時(shí)刻的波場強(qiáng)度圖并以動(dòng)態(tài)視頻的形式表現(xiàn)就可以將 Lamb 波的傳播過程可視化。

圖1 激光超聲技術(shù)的Lamb波傳播可視化原理Fig.1 Lamb wave visualization priniciple by using laser ultrasonic technique

表1 激光超聲檢測系統(tǒng)參數(shù)

圖2 碳纖維復(fù)合材料中Lamb波的傳播Fig.2 Lamb wave propagation in CFRP plate

表1給出了南京航空航天大學(xué)搭建的激光超聲檢測系統(tǒng)參數(shù)。其中，單個(gè)激光脈沖的能量在0～55mJ之間可調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了避免激光對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生燒蝕損傷，特別是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測過程中，激光脈沖的能量應(yīng)控制在 10mJ以內(nèi)。激光器的重復(fù)頻率最高可達(dá)1kHz，即每秒可獲取最多1000個(gè)Lamb響應(yīng)信號。增加激光的重復(fù)頻率可以減少掃描時(shí)間，提高檢測效率，但當(dāng)重復(fù)頻率過高時(shí)，前一次激勵(lì)所產(chǎn)生的Lamb波還未完全衰減，從而影響采集的信號。二維掃描裝置的偏轉(zhuǎn)角度范圍為±24°，掃描精度為0.008°，根據(jù)幾何光學(xué)中的反射定律可知，系統(tǒng)在距離待測結(jié)構(gòu)10m范圍以內(nèi)都可以保持毫米級的掃描精度。本文的試驗(yàn)中，檢測距離均小于10m，可以保證試驗(yàn)所需的1mm的掃描精度。檢測所使用的聲發(fā)射傳感器體積小、質(zhì)量輕，其頻帶范圍為（20～500）kHz，滿 足 Lamb 波 檢測的需求。本文涉及的試驗(yàn)均采用該系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播數(shù)據(jù)的測量。圖2給出了不同時(shí)刻下Lamb波在碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）中的傳播結(jié)果。試件中心包含有10J的沖擊損傷，當(dāng)Lamb波經(jīng)過沖擊損傷后，波場產(chǎn)生了異常區(qū)域。通過逐個(gè)時(shí)間點(diǎn)觀察波場的方式可以判斷出損傷出現(xiàn)的大致位置[17]。

復(fù)合材料的損傷成像技術(shù)

層合板結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式之一，通過改變鋪層的方向和順序，層合板能夠在不改變單層板材料的情況下，設(shè)計(jì)出滿足工程上不同需求的結(jié)構(gòu)。然而，由于這類結(jié)構(gòu)的層間強(qiáng)度不足，結(jié)構(gòu)對垂直于表面的沖擊載荷作用具有較低的抗性，易出現(xiàn)基體開裂、層間分層和纖維斷裂等多種形式組合的損傷[18]。通常，在高能量和中等能量的沖擊下，如飛機(jī)高速飛行時(shí)遇到的撞擊、渦輪葉片工作時(shí)異物的碰撞等，這類沖擊會(huì)直接穿透結(jié)構(gòu)或在沖擊位置背面產(chǎn)生大量的纖維斷裂，穿透區(qū)域附近伴隨著大面積的分層。因此，這類沖擊損傷容易引起檢測人員的注意。但是，低能量沖擊，如飛機(jī)地面維護(hù)時(shí)的碰撞、飛機(jī)起降時(shí)受到的冰雹撞擊等，所引起的基體開裂和分層等損傷通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部[19]。這種“目視勉強(qiáng)可見沖擊損傷”（Barely Visible Impact Damage，BVID）難以在日常的飛機(jī)維護(hù)中被發(fā)現(xiàn)。許多研究表明，BVID會(huì)降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗拉能力，而對于壓縮載荷的作用，這類損傷產(chǎn)生的影響更加嚴(yán)重[20]。由此可見，對復(fù)合材料中低能沖擊損傷的檢測是保證結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵。

為了從復(fù)雜的Lamb波波場數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)進(jìn)行損傷的定位與識別，許多信號處理方法相繼提出和應(yīng)用。首先，利用激光超聲檢測系統(tǒng)對復(fù)合材料板以矩形路線進(jìn)行掃描，掃描點(diǎn)的間距為1mm，掃描范圍為100mm×100mm，激光能量為8mJ，采樣率為10MHz。將采集的信號按圖2的方式處理，即可獲得Lamb 波的波場數(shù)據(jù)。根據(jù)激光超聲技術(shù)所獲取的波場數(shù)據(jù)對Lamb波的傳播過程進(jìn)行重演，通過觀察損傷位置處Lamb波發(fā)生的反射和衍射現(xiàn)象對損傷進(jìn)行定位是最為簡單的一種方法[21]。然而，損傷引起的Lamb波傳播異?，F(xiàn)象較弱，損傷的特征容易被忽略，從而導(dǎo)致?lián)p傷難以發(fā)現(xiàn)。為了將損傷產(chǎn)生的異常Lamb波信號增強(qiáng)，采用波數(shù)-頻率域分析方法可以提取原始波場數(shù)據(jù)中的損傷反射波。在弱化了入射波信號的波場中，損傷位置的分辨率顯著提升[22]。類似的，采用相鄰位置上獲取的 Lamb 波信號作比較可以弱化波場中的入射信號，同樣提高了損傷附近異常 Lamb 波的信號強(qiáng)度[23]。但是，上述方法的共同缺點(diǎn)在于需要人為觀察逐個(gè)時(shí)間點(diǎn)的波場圖像，并且無法對損傷的形狀進(jìn)行有效的定量評估。針對這個(gè)問題，提取鄰位Lamb波差信號的峰值，并選擇合適的閾值進(jìn)行過濾，能夠?qū)z測區(qū)域的異常位置顯現(xiàn)出來[13]。此外，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到整個(gè)掃描區(qū)域的波場能量分布也是一種損傷成像的有效方法[24]。通過波場能量圖中異常能量的分布能夠?qū)Y(jié)構(gòu)損傷形狀進(jìn)行初步的成像。更進(jìn)一步地，干涉波能量提取的損傷檢測方法結(jié)合了波數(shù)-頻率域分析手段，消除了健康區(qū)域中的 Lamb 波能量，提高了損傷識別的分辨率[16]。

在此基礎(chǔ)上，入射波異常信號能量提取算法通過計(jì)算入射波異常信號的能量分布圖實(shí)現(xiàn)了對CFRP層合板的沖擊損傷成像[17]。入射波異常信號能量Eaiw的定義為：

式中，N為采樣時(shí)間點(diǎn)數(shù)，aiw（i, x, y）為位置（x, y）處在i時(shí)刻的入射波異常信號，即為相鄰測量位置獲取的入射波信號差值：

式中，iw為通過波數(shù)-頻率域分析后獲得的入射波，Δd為Lamb波傳播Δx距離所經(jīng)歷的時(shí)間延時(shí)。試驗(yàn)研究的CFRP層合板的鋪層形式為 [45°/-45°/0°/90°]s，沖擊能量為10J。圖3（a）給出了沖擊損傷的超聲C掃描結(jié)果。如圖3（b）所示，入射波異常信號能量圖能夠識別損傷的形狀和面積。

圖3 復(fù)合材料沖擊損傷成像Fig.3 Impact damage image in the composite structure

復(fù)合材料的剛度系數(shù)識別技術(shù)

隨著使用時(shí)間的增加，復(fù)合材料內(nèi)部的疲勞損傷不斷積累，導(dǎo)致其力學(xué)性能逐漸衰退。因此，對復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)的識別不僅能夠輔助復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而且能夠?yàn)樽R別結(jié)構(gòu)的安全和可靠性能提供依據(jù)。目前，常用的復(fù)合材料剛度系數(shù)識別方法如拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等都難以用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)現(xiàn)場、無損的測量評估。采用獲取Lamb波傳播波場數(shù)據(jù)的方式，通過分析Lamb波傳播相速度與材料剛度系數(shù)之間的關(guān)系，反推材料剛度系數(shù)矩陣可作為無損測量復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)的有效方法。由于該方法在完備重構(gòu)復(fù)合材料剛度參數(shù)研究中的巨大潛力，一種單激勵(lì)-多響應(yīng)的傳感器陣列被用于檢測復(fù)合材料板中不同方向傳播的Lamb波相速度，并面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，旨在實(shí)現(xiàn)正交各向異性材料9個(gè)剛度系數(shù)的在線重構(gòu)[25]。其試驗(yàn)測量的速度值為特定群速度角度下傳播的群速度值，而在利用遺傳算法進(jìn)行速度反演重構(gòu)材料參數(shù)時(shí)，其正問題理論針對的為相速度值，二者研究對象的差異導(dǎo)致重構(gòu)結(jié)果不可靠。采用激光測振儀獲取復(fù)合材料板中較寬頻帶內(nèi)的Lamb波相速度頻散曲線，并將有限元方法作為正問題求解工具，實(shí)現(xiàn)了橫貫各向同性復(fù)合材料5個(gè)剛度系數(shù)的測量，但其測量結(jié)果與材料真實(shí)值仍具有一定的差異。

在此基礎(chǔ)上，一種基于激光超聲技術(shù)的復(fù)合材料剛度系數(shù)識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料板9個(gè)剛度系數(shù)的重構(gòu)，其原理如圖4所示[26]。

圖4 逆問題求解的流程圖Fig.4 Flow chart of the inversion methodology

首先采用六自由度新型三階板理論方法（Third-order Shear Deformation Theory，ToSDT）求解復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)中Lamb波的相速度頻散曲線[27]；其次采用激光超聲技術(shù)在極坐標(biāo)掃描方式下獲取結(jié)構(gòu)中Lamb波的傳播數(shù)據(jù)，如圖5所示，為正交碳纖維層合板中的Lamb波在20μs時(shí)刻下的傳播情況，通過對應(yīng)峰值的移動(dòng)速度可以求得任意角度下的Lamb波相速度值。為了提高重構(gòu)剛度系數(shù)的效率和精度，研究了Lamb波傳播參數(shù)與各個(gè)剛度系數(shù)之間的靈敏度關(guān)系，如表2所示，給出了在正交碳纖維層合板重構(gòu)過程中所需要的Lamb波相速度信息情況。重構(gòu)方案只基于0°、45°、90° 3個(gè)靈敏度最高的傳播方向進(jìn)行計(jì)算，大大降低了將多個(gè)傳播方向上信息代入重構(gòu)過程的復(fù)雜性。試驗(yàn)中為了獲得0°、45°、90° 3個(gè)方向上的波速，在碳纖維層合板中沿0°、45°、90°方向各掃描150mm長的直線，掃描間隔為1mm，激光能量為8mJ，采樣率為 10MHz。最后，定義歸一化相速度誤差函數(shù)作為遺傳算法的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)err：

式中，C表示待評估的剛度系數(shù)矩陣（含有9個(gè)獨(dú)立剛度系數(shù)分量）；θ為群速度傳播角度；M為所用到的不同頻率下的相速度值個(gè)數(shù)；ViE表示在第i個(gè)頻率下Lamb波試驗(yàn)測量得到的相速度值，該值不隨C變化而變化；ViT表示在第i個(gè)頻率下Lamb波在剛度系數(shù)為C時(shí)的相速度理論計(jì)算值。經(jīng)過不斷地迭代和更新，最終優(yōu)化的C作為最小目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的解，為重構(gòu)出的復(fù)合材料剛度系數(shù)值，如表3所示。圖6（a）給出了3個(gè)典型方向上的相速度理論和試驗(yàn)值，圖6（b）以10°為間隔顯示了0°～90°范圍內(nèi)的Lamb波試驗(yàn)與理論相速度值。結(jié)果表明了僅用3個(gè)特征方向的Lamb波信號進(jìn)行剛度系數(shù)的重構(gòu)，在簡化計(jì)算過程的同時(shí)，確保了重構(gòu)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 正交碳纖維層合板重構(gòu)所需角度和模態(tài)信息

表3 正交碳纖維層合板重構(gòu)結(jié)果

復(fù)合材料的疲勞特性評估技術(shù)

復(fù)合材料在承受疲勞載荷作用時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生基體裂紋、界面脫膠、層間分層和纖維斷裂4種基本的破壞形式。與金屬材料易產(chǎn)生一條控制整個(gè)結(jié)構(gòu)疲勞性能的主裂紋不同，這4種基本破壞形式相互作用并以一定的密度分布在復(fù)合材料內(nèi)部。當(dāng)復(fù)合材料到達(dá)疲勞壽命后期，隨著損傷密度的增加，材料內(nèi)部的應(yīng)力將重新分配，在應(yīng)力集中程度嚴(yán)重的區(qū)域纖維加速斷裂，最終導(dǎo)致突然破壞[3]。結(jié)構(gòu)破壞前，采用傳統(tǒng)的無損檢測方法難以對微觀的基本破壞形式進(jìn)行評估。然而，復(fù)合材料的疲勞損傷積累會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)屬性，如剛度、阻尼等變化，進(jìn)而影響Lamb波的傳播特性。通過激光超聲技術(shù)獲取復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同區(qū)域位置的Lamb波傳播特性，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)局部材料屬性進(jìn)行評估，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)全壽命健康狀態(tài)評估的目的。

以玻璃纖維層合板結(jié)構(gòu)為例，其鋪層形式為[0°/90°3/0°/90°3]s。在試驗(yàn)過程中選取了最大拉伸強(qiáng)度32.4%的載荷水平進(jìn)行了疲勞特性的研究。試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為激光超聲系統(tǒng)和疲勞拉伸試驗(yàn)機(jī)兩部分，如圖7所示。用于分析的Lamb波傳播數(shù)據(jù)采用距離-時(shí)間圖的形式：激光源掃描一條延長線經(jīng)過聲發(fā)射傳感器的路徑，掃描間隔為1mm，激光能量為8mJ，采樣率為10MHz。采集激光源掃描該路線上所有測點(diǎn)時(shí)傳感器接收到的時(shí)域信號，即可繪制距離-時(shí)間B掃結(jié)果，如圖8所示，為經(jīng)過209568次周期載荷后的Lamb波傳播圖像。

圖5 正交層合板中的Lamb波傳播Fig.5 Lamb wave propagation in cross-ply plate

圖6 剛度系數(shù)的重構(gòu)結(jié)果Fig.6 Results of stiffness reconstruction

圖7 激光超聲技術(shù)在疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用Fig.7 Laser ultrasonic technique for the fatigue test

圖8 Lamb波的時(shí)間-距離傳播圖像Fig.8 Time-space diagrams of Lamb wave

圖9 歸一化的Lamb波傳播參數(shù)與疲勞周期數(shù)間的關(guān)系Fig.9 Relation between normalized parameters of Lamb wave propagation and fatigue load cycles

研究表明，Lamb波特征參數(shù)（Lamb波相速度和Lamb波模態(tài)能量分布情況）能夠反映復(fù)合材料疲勞加載的周期變化。圖9分別給出了3個(gè)歸一化后的參數(shù)與疲勞周期之間的關(guān)系，其中歸一化的剛度（NStiffness）通過試驗(yàn)中引伸計(jì)數(shù)據(jù)獲?。粴w一化的相速度值（NVelocity）利用距離-時(shí)間B掃結(jié)果中首個(gè)峰值的傳播速度計(jì)算得到；而歸一化的模態(tài)能量分布比采用二維傅里葉變換的手段從B掃結(jié)果中分離出兩種不同模態(tài)的能量，即圖8中不同斜率的Lamb波分量，表示不同傳播速度的Lamb波。定義歸一化模態(tài)能量分布比（NModeConvert）為模態(tài)1與模態(tài)2能量的比。隨著疲勞周期數(shù)的增加，3個(gè)特征參數(shù)都出現(xiàn)了明顯下降，且變化趨勢類似。其中歸一化的模態(tài)比值變化最為明顯。在實(shí)際應(yīng)用過程中，材料的剛度測量非常困難，因此根據(jù)Lamb波非接觸式的測量，計(jì)算相速度和模態(tài)頻響特性能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的估計(jì)。

圖10 復(fù)合材料疲勞特性評估結(jié)果Fig.10 Results of fatigue property evaluation in the composite

在研究了Lamb波傳播特征參數(shù)與復(fù)合材料疲勞之間關(guān)系的基礎(chǔ)之上，一種剛度-波速衰減理論模型實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料疲勞損傷的預(yù)測。該模型以纖維斷裂、基體裂紋和分層引起的剛度衰減為依據(jù)，導(dǎo)出了近似的剪滯模型，避免了預(yù)測過程中需要測量復(fù)合材料裂紋密度的問題。試驗(yàn)通過測量復(fù)合材料中Lamb波的相速度能夠完成疲勞累積損傷的綜合評估。圖10給出了鋪層為[45°/0°/-45°/90°]2s的玻璃纖維復(fù)合材料在最大拉伸強(qiáng)度的55%載荷水平下的疲勞評估結(jié)果。圖10（a）為試驗(yàn)測得的Lamb波相速度與模型預(yù)測的相速度衰減情況對比，圖10（b）為基于模型預(yù)測的疲勞損傷密度曲線。

結(jié)束語

針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在安全和可靠性評估中所面臨的問題，激光超聲技術(shù)提供了一種遠(yuǎn)距離、非接觸式測量結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播數(shù)據(jù)的新方法。通過對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播特征的提取，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料損傷成像、復(fù)合材料剛度系數(shù)識別、復(fù)合材料疲勞特性評估3個(gè)方面的材料無損評價(jià)。目前，該技術(shù)的研究已經(jīng)取得了理論上的突破，在試驗(yàn)驗(yàn)證中也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。然而，針對實(shí)際航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測，特別是現(xiàn)場、原位的結(jié)構(gòu)檢測，激光超聲技術(shù)仍需要解決一系列的問題：（1） 研究激光超聲系統(tǒng)的集成與優(yōu)化，進(jìn)一步提高現(xiàn)場測量的信噪比，促進(jìn)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用；（2）研究具有更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料連接件中Lamb波的傳播特性，進(jìn)一步拓展激光超聲技術(shù)的應(yīng)用范圍；（3）基于激光超聲檢測技術(shù)的檢測結(jié)果，如復(fù)合材料的損傷信息和疲勞狀況，研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測等。隨著更多研究者的關(guān)注和大量高新技術(shù)應(yīng)用于激光超聲技術(shù)中，其檢測效果、功能一定能夠進(jìn)一步提升，必將成為未來航空領(lǐng)域無損檢測中不可或缺的新成員。

[1]杜善義. 先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2007, 24(1):1-12.

DU Shanyi. Advanced composite materials and aerospace engineering[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2007, 24(1):1-12.

[2]李斌太, 邢麗英, 包建文,等. 先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的航空樹脂基復(fù)合材料研發(fā)進(jìn)展[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2016,36(3): 92-100.

LI Bintai, XING Liying, BAO Jianwen, et al.Research and development progress of national key laboratory of advanced composites on advanced aeronautical resin matrix composites[J].Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(3):92-100.

[3]吳富強(qiáng). 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壽命預(yù)測與疲勞性能衰減研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2008.

WU Fuqiang. Research on life prediction and fatigue property degradation of the fibrereinforced plastics[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008.

[4]武湛君, 渠曉溪, 高東岳, 等. 航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù), 2016(15): 92-102.

WU Zhanjun, QU Xiaoxi, GAO Dongyue,et al. Research progress on structural health monitoring technology for aerospace composite structures[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016 (15): 92-102.

[5]吳郁程, 裘進(jìn)浩, 張超, 等. 一種損傷反射波波場可視化的改進(jìn)方法[J]. 中國激光, 2014, 41(3):149-156.

WU Yucheng, QIU Jinhao, ZHANG Chao,et al. A method to improve the visibility of the damage-reflected wave[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(3): 149-156.

[6]裘進(jìn)浩, 張超, 季宏麗, 等. 基于激光激勵(lì)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷成像[J]. 振動(dòng)、測試與診斷, 2014, 34(4): 603-609.

QIU Jinhao, ZHANG Chao, JI Hongli, et al. Damage imaging for plate structures based on laser excitation[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis, 2014, 34(4): 603-609.

[7]施德恒, 陳玉科, 孫金鋒, 等. 激光超聲技術(shù)及其在無損檢測中的應(yīng)用概況[J].激光雜志, 2004, 25(5):1-4.

SHI Deheng, CHEN Yuke, SUN Jinfeng, et al. A review on laser ultrasonic technique and its applications in non-destructive testing[J]. Laser Journal, 2004, 25(5):1-4.

[8]嚴(yán)剛, 徐曉東, 沈中華, 等. 激光超聲表面缺陷檢測的實(shí)驗(yàn)方法[J]. 光電子·激光,2006, 17(1):107-110.

YAN Gang, XU Xiaodong, SHEN Zhonghua,et al. An experimental method of the lasergenerated ultrasonic waves for detecting the surface-breaking defects[J]. Journal of Optoelectronics· Laser, 2006, 17(1):107-110.

[9]董利明, 李加, 倪辰蔭, 等. 基于光熱調(diào)制檢測發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞裂紋的激光聲表面波方法[J]. 中國激光, 2011, 38(11): 84-88.

DONG Liming, LI Jia, NI Chenyin, et al.Crack detection of engine blade based on laserheating assisted surface acoustic waves generated by scanning laser[J]. Chinese Journal of Lasers,2011, 38(11): 84-88.

[10]YASHIRO S, TAKATSUBO J,TOYAMA N. An NDT technique for composite structures using visualized lamb-wave propagation[J]. Composites Science & Technology,2007, 67(15-16): 3202-3208.

[11]CHEN J, KATZ J. Health monitoring of complex curved structures using an ultrasonic wavefield propagation imaging system[J].Measurement Science & Technology, 2007,18(12): 3816-3824.

[12]CUEVAS A E, GALLEGUILLOS C, GARCíA R C, et al. Laser ultrasonics inspections of aeronautical components validated by computed tomography[C]// Proceedings of International Symposium on NDT in Aerospace,2015.

[13]CHEN C, LEE J, PARK C, et al.Laser ultrasonic anomalous wave propagation imaging method with adjacent wave subtraction:Application to actual damages in composite wing[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(2):428-440.

[14]OSTERKAMP M A, KAISER D L.Application of laser ultrasonics for the nondestructive inspection of complex composite aerospace structures[C]// Proceedings of 1st International Symposium on Laser Ultrasonics:Science, Technology and Applications, 2008.

[15]SUN G, ZHOU Z, CHEN X, et al.Ultrasonic characterization of delamination in aeronautical composites using noncontact laser generation and detection[J]. Applied Optics,2013, 52(26): 6481-6486.

[16]張超, 季宏麗, 裘進(jìn)浩, 等. 激光超聲檢測中干涉特征提取算法的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34 (7): 150-158.

ZHANG Chao, JI Hongli, QIU Jinhao, et al. Research on interference energy calculation method in laser ultrasonic technique[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34 (7):150-158.

[17]ZHANG C, QIU J, JI H. Laser ultrasonic imaging for impact damage visualization in composite structure[C]// Proceedings of 7th European Workshop on Structural Health Monitoring, 2014.

[18]SULTAN M T H, WORDEN K,STASZEWSKI W J, et al. Impact damage characterisation of composite laminates using a statistical approach[J]. Composites Science &Technology, 2012, 72(10):1108-1120.

[19]寧榮昌. 復(fù)合材料沖擊損傷問題的研究現(xiàn)狀[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 1992 (6):35-40.

NING Rongchang. Study status of composite impact failure[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 1992(6):35-40.

[20](澳)霍斯金, (澳)貝克. 復(fù)合材料原理及其應(yīng)用[M]. 沈真,譯. 北京: 科學(xué)出版社, 1992.

HOSKIN B C, BAKER A A. Principles and applications of composite materials[M]. SHEN Zhen, trans. Beijing: Science Press, 1992.

[21]TAKATSUBO J, WANG B, TSUDA H, et al. Generation laser scanning method for the visualization of ultrasounds propagating on a 3-d object with an arbitrary shape[J]. Journal of Solid Mechanics & Materials Engineering, 2007,1(1):1405-1411.

[22]RUZZENE M. Frequency‐wavenumber domain filtering for improved damage visualization[J]. Smart Materials &Structures, 2007, 16(6): 2116-2129.

[23]LEE J, CHEN C, PARK C, et al.Laser ultrasonic anomalous wave propagation imaging method with adjacent wave subtraction:algorithm[J]. Optics & Laser Technology, 2012,44(5):1507-1515.

[24]LIU Y, HU N, XU H, et al. Damage evaluation based on a wave energy flow map using multiple pzt sensors[J]. Sensors, 2014,14(2):1902-1917.

[25]VISHNUVARDHAN J, KRISHNAMURTHY C V, BALASUBRAMANIAM K.Genetic algorithm based reconstruction of the elastic moduli of orthotropic plates using an ultrasonic guided wave single-transmittermultiple-receiver shm array[J]. Smart Materials& Structures, 2007, 16(5):1639.

[26]ZHAO J, QIU J, JI H. Reconstruction of the nine stiffness coefficients of composites using a laser generation based imaging method[J].Composites Science & Technology, 2016,126:27-34.

[27]ZHAO J, JI H, QIU J. Modeling of lamb waves in composites using new third-order plate theories[J]. Smart Materials & Structures,2014, 23(23): 494-501.