激光超聲技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用.pdf

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1、激光超聲技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用米季宏麗，張超，裘進(jìn)浩(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016)[摘要】激光超聲檢測(cè)技術(shù)采用脈沖激光照射的手段激勵(lì)結(jié)構(gòu)中的Lamb波，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式的Lamb波傳播波場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量。針對(duì)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用中所面臨的安全和可靠性能評(píng)估問題，南京航空航天大學(xué)開展了基于激光超聲技術(shù)的復(fù)合材料檢測(cè)研究。采用信號(hào)處理方法提取了Lamb波傳播特征參數(shù)，進(jìn)行了復(fù)合材料的損傷成像、剛度參數(shù)識(shí)別和疲勞特性評(píng)估，取得了理論和試驗(yàn)驗(yàn)證上的進(jìn)展，為航空領(lǐng)域的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提

2、供了新方法。關(guān)鍵詞：激光超聲；無(wú)損檢測(cè)；復(fù)合材料；信號(hào)處理DoI：10．16080巧．issnl671—833x．2017．15．016r1季宏麗副教授、碩士生導(dǎo)師．香江學(xué)者、全國(guó)優(yōu)博獲得者。一直從事智能材料與結(jié)構(gòu)的研究。主要包括智能結(jié)構(gòu)的減振降噪、結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(xiàng)目：973計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB057501)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372133)；江蘇省基金重點(diǎn)項(xiàng)目(BK20150061)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NP2

3、016201)；333工程項(xiàng)目(BRA2015310)。16航空制造技術(shù)·2017年第15期復(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(shì)。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(guó)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

4、速運(yùn)輸機(jī)24．3％的減重效果?。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

5、2l。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(cè)【3I。因此，開展針對(duì)復(fù)合材料的原位、快速、高效的損傷檢測(cè)和性能評(píng)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(wú)損檢測(cè)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(lái)越多的關(guān)注。與常規(guī)的水浸式超聲檢測(cè)利用壓電換

6、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(guò)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]o目前，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷評(píng)估P】、材料表面缺陷識(shí)別隅l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(duì)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(cè)效果【9。1”。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(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼前緣進(jìn)

7、行了激光縱波的檢測(cè)方法驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了該方法在復(fù)合材料中的孑L隙率檢測(cè)[1210韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)根據(jù)激光激勵(lì)出的Lamb波，對(duì)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[1310此外，洛克希德·馬丁公司采用激光超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)F一22的復(fù)合材料進(jìn)氣道進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)方法的驗(yàn)證[1410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(duì)復(fù)合材料應(yīng)用中存在的安全評(píng)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(shí)別以及疲勞特性評(píng)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

8、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(cè)與傳統(tǒng)的超聲C掃檢測(cè)類似。根據(jù)沿厚度方向傳播的縱波回波或透射睛況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別【l別；而利用Lamb波的激光超聲檢測(cè)則是采用掃描激勵(lì)或掃描傳感的方式獲取結(jié)構(gòu)中待狽0區(qū)域的Lamb波傳播數(shù)據(jù)，通過(guò)分析Lamb波的傳播特征參910量區(qū)域數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、材料參數(shù)等方面的識(shí)別，綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性能”61。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(cè)量的原理如圖l所示，高能激光脈沖在結(jié)構(gòu)的待測(cè)區(qū)域內(nèi)激勵(lì)Lamb波，同時(shí)在固

9、定位置采用激光多普勒測(cè)振儀或聲發(fā)射傳感器獲取Lamb波響應(yīng)信號(hào)?；诼晫W(xué)互易原理，獲得的Lamb波信號(hào)可以認(rèn)為是在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)布置傳感器獲取固定點(diǎn)激勵(lì)的Lamb波信號(hào)。當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行掃描并采集信號(hào)時(shí)，這個(gè)過(guò)程可以等效為在檢測(cè)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，