复合材料中的非线性Lamb波及对冲击损伤检测

发布时间：2020-05-02 20:01

【摘要】：复合材料因为其具有比强度高、比刚度大和重量轻等优点已经逐渐被广泛应用于航空航天等产业。但是在制造与服役过程中,复合材料不可避免的会受到损伤。而低速冲击造成的不可见的内部微损伤是复合材料的常见损伤形式,这将影响其使用可靠性与寿命,甚至会导致整体结构的突然失效而造成灾难性的后果。为了保证复合材料的使用安全,有必要对其内部微损伤进行检测。相较于传统超声检测技术,由于具有检测范围广,微损伤识别和性价比高等优点,非线性超声导波技术已经成为了检测复合材料损伤的有效方法之一。本文以1 mm厚碳纤维复合材料(CFRP)为研究对象,探究多种非线性超声导波技术对不同程度的冲击损伤进行检测。首先利用Lamb波二阶谐波法对复合材料进行检测,在频散曲线中确定满足相匹配条件的激励模态进行实验,提取相关频域信息分析数据,实验结果表明:Lamb波相关非线性参数随冲击损伤程度增加而增加,相较于完整试件,15J损伤试件相关非线性参数增加200%。随后用Lamb波相反转方法对损伤检测,该方法抵消基频幅值且增大二阶谐波幅值,有效提高了信噪比,实验结果与仅用二阶谐波法检测具有一致性。为了避免实验设备中非线性的干扰,提出了基于Lamb波共线混叠的非线性超声检测技术,根据同步性条件确定激励模态,搭建检测系统,通过时间延迟将不同激励频率的Lamb波模态同向混叠对复合材料进行检测,提取基频波与和频边带和差频边带的频域幅值计算相关非线性参数,结果显示随着冲击能量的增加相关非线性参数也增加。同时设置不同激励频率优化该方法激励模态。最后,本文研究了基于SPC(Sideband Peak Count)边带阂值法的非线性Lamb波检测技术,提出了该技术表征材料非线性的方式,以此确定针对该复合材料试件的最优检测频率并对冲击损伤试件进行检测。结果发现,当阈值线为最大值1-10%时,基频为1.95 MHz和2.25 MHz的峰值数最多;利用该基频组合检测复合材料损伤时,随着损伤程度增加边带峰值数量也呈递增趋势。
【图文】：

组成成分,碳纤维复合材料

管碳纤维复合材料有许多的优点，但是由于复合材料的非均质性，增强纤逡逑面结构差异，，组分材料物理性质变化差异以及制造工艺不稳定等原因，复逡逑在生产制造过程中难以避免的会出现缺陷。此外，在使用与服役过程中，逡逑料也会由于受到冲击、摩擦等产生损伤。这些损伤很大一部分在材料内部，逡逑能被简单的肉眼检测及时发现，但是随着产品的不断使用会导致整个结构逡逑与强度的大幅降低，甚至出现突然性的破坏，造成安全事故，给人们的生逡逑安全造成危害［ｎ］。逡逑００９年２月１２日，一架美国大陆航空公司的飞机在纽约上州布法罗郊外坠逡逑上４４名乘客、４名机组人员以及１名非执勤飞行员全部遇难。这起事故逡逑地面上１人死亡，不少于４人受伤。据美国航空主管部门事后推断，极有逡逑是飞机长时间服役使得复合材料机翼积累出局部故障问题导致了这一空难。逡逑年２月，由于机身碳纤维复合材料脱层，即层与层之间剥离，大大降低了逡逑

线性介质,超声波,与非,非线性声学

非线性超声检测国内外研究现状逡逑最早在１７５５年，瑞士物理学家Ｅｕｌｅｒ提出了非线性声学这一概念，随后各逡逑学家逐渐开始展开有关非线性声学的研宄，但由于过去技术的局限性，难以逡逑实验验证理论分析，大部分的研究关注于流体中的非线性超声波动特性。布逡逑学的Ｈｉｋａｔａ＾ｌ等于１９６３年在金属实验室中进行实验时，从纯铝中检测到了逡逑，至此人们开始关注非线性超声在材料检测方面的应用。众多的研究表明，逡逑性超声与线性超声的主要区别在于当材料中存在缺陷时，往往会引起前者检逡逑号的频率相较于输入信号的频率发生变化，如图１－３。因此，在利用非线性逡逑对结构损伤与材料性能退化进行检测与表征时，国内外的研宄者主要集中于逡逑信号的频率变化。目前比较主流的研究方向有高阶谐波检测法、波束混叠、逡逑波法和共振频率偏移法这四种［３１１，考虑本文的研宄方向，在这里仅阐述前两逡逑究方向的发展现状。逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;V250.2

【参考文献】