激光超聲技術在復合材料檢測中的應用.pdf

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1、激光超聲技術在復合材料檢測中的應用米季宏麗，張超，裘進浩(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室，南京210016)[摘要】激光超聲檢測技術采用脈沖激光照射的手段激勵結構中的Lamb波，可以實現(xiàn)遠距離、非接觸式的Lamb波傳播波場數(shù)據測量。針對復合材料在航空領域應用中所面臨的安全和可靠性能評估問題，南京航空航天大學開展了基于激光超聲技術的復合材料檢測研究。采用信號處理方法提取了Lamb波傳播特征參數(shù)，進行了復合材料的損傷成像、剛度參數(shù)識別和疲勞特性評估，取得了理論和試驗驗證上的進展，為航空領域的復合材料無損檢測技術提

2、供了新方法。關鍵詞：激光超聲；無損檢測；復合材料；信號處理DoI：10．16080巧．issnl671—833x．2017．15．016r1季宏麗副教授、碩士生導師．香江學者、全國優(yōu)博獲得者。一直從事智能材料與結構的研究。主要包括智能結構的減振降噪、結構無損檢測、結構健康監(jiān)測等，發(fā)表期刊論文80余篇，scl收錄70余篇，$Cl他引290余次。}基金項目：973計劃項目(2015CB057501)；國家自然科學基金項目(11372133)；江蘇省基金重點項目(BK20150061)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(NP2

3、016201)；333工程項目(BRA2015310)。16航空制造技術·2017年第15期復合材料在航空領域中的廣泛應用是科學技術不斷發(fā)展的必然趨勢。與傳統(tǒng)的金屬結構相比，復合材料結構的比強度和比剛度更高，同時兼?zhèn)淠湍p、抗腐蝕等優(yōu)點，具有極強的可設計性，滿足航空領域對結構苛刻性能的追求。許多研究表明，將先進復合材料大量應用于飛行器之中，不僅能夠實現(xiàn)結構顯著減重，而且可以提高飛行器的機動及隱身性能。例如，美國NASA的Langley研究中心在《航空航天用先進復合材料發(fā)展報告》中指出，復合材料機翼機身和氣動剪裁技術能夠獲得亞音

4、速運輸機24．3％的減重效果?。復合材料吸波結構在不明顯增加結構重量的前提下具有吸波和承載雙重功能，是先進航空裝備實現(xiàn)高隱身不可或缺的關鍵材料

5、2l。然而，由于加工工藝原因，復合材料本身具有非常明顯的分散性，且材料內部的微結構形式和非線性特征復雜，導致其強度、破壞形式及使用壽命難以預測【3I。因此，開展針對復合材料的原位、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構安全性，促進復合材料結構的應用【4】。在眾多無損檢測方法中，激光超聲技術隨著激光激勵技術的日益發(fā)展得到了越來越多的關注。與常規(guī)的水浸式超聲檢測利用壓電換

6、能器激勵結構中的超聲波不同，激光超聲技術采用激光照射產生的熱彈效應激勵結構中的超聲波，其特點在于激勵方式是遠距離、非接觸的，且通過偏轉反射鏡的角度進行光路的控制就能夠實現(xiàn)大范圍的掃描[5-6]o目前，在結構內部損傷評估P】、材料表面缺陷識別隅l等方面，激光超聲技術都進行了很好的試驗驗證。特別是針對具有復雜曲面的結構(如管壁結構、鉆頭、風機槳葉以及渦輪葉片等)，該方法也有很好的檢測效果【9。1”。隨著硬件系統(tǒng)的進一步集成與發(fā)展，激光超聲技術的應用已得到初步的工程驗證。西班牙先進航空技術中心利用激光超聲檢測系統(tǒng)對復合材料機翼前緣進

7、行了激光縱波的檢測方法驗證，實現(xiàn)了該方法在復合材料中的孑L隙率檢測[1210韓國全北國立大學根據激光激勵出的Lamb波，對復合材料機翼結構進行了掃查，初步實現(xiàn)了結構沖擊損傷的定位[1310此外，洛克希德·馬丁公司采用激光超聲檢測技術對F一22的復合材料進氣道進行了無損檢測方法的驗證[1410本文以南京航空航天大學開展的激光超聲技術研究為基礎，針對復合材料應用中存在的安全評估問題，介紹了激光超聲技術在復合材料損傷成像、力學參數(shù)識別以及疲勞特性評估3方面的應用。激光超聲技術原理激光超聲技術采用高能激光脈沖照射結構表面產生熱應力區(qū)激

8、發(fā)出超聲波。根據超聲波傳導形式不同，該技術可分為縱波與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。根據沿厚度方向傳播的縱波回波或透射睛況對結構進行損傷識別【l別；而利用Lamb波的激光超聲檢測則是采用掃描激勵或掃描傳感的方式獲取結構中待狽0區(qū)域的Lamb波傳播數(shù)據，通過分析Lamb波的傳播特征參910量區(qū)域數(shù)實現(xiàn)結構損傷、材料參數(shù)等方面的識別，綜合評估結構的安全性能”61。以掃描激勵式的激光超聲技術為例，Lamb波傳播數(shù)據測量的原理如圖l所示，高能激光脈沖在結構的待測區(qū)域內激勵Lamb波，同時在固

9、定位置采用激光多普勒測振儀或聲發(fā)射傳感器獲取Lamb波響應信號?；诼晫W互易原理，獲得的Lamb波信號可以認為是在檢測區(qū)域內布置傳感器獲取固定點激勵的Lamb波信號。當激勵點進行掃描并采集信號時，這個過程可以等效為在檢測區(qū)域內密布了傳感器陣列同時獲取固定位置激勵的Lamb波，