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        激光超聲技術(shù)在復(fù)合材料檢測中的應(yīng)用*

        2017-05-14 01:17:05
        航空制造技術(shù) 2017年15期
        關(guān)鍵詞:波場重構(gòu)復(fù)合材料

        (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。

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