蜂窝夹层结构脱粘损伤的超声无损检测
发布时间：2020-05-05 12:44
【摘要】：近些年来,蜂窝夹层板结构因其高比强度、高比刚度和高能量吸收能力被广泛地应用于列车、航海及航空航天等领域。由于制造工艺、反复或过度加载、老化等原因,经常会导致蜂窝夹层板结构中蒙皮与蜂窝芯之间产生脱粘损伤,这将危及结构的完整性和安全性。为了避免事故发生,及时发现并定位蜂窝夹层结构中的脱粘损伤是十分必要的。导波具有传播距离长、覆盖范围广、可以对结构内部出现的变化或损伤做出迅速响应等特点,因此导波被广泛应用于结构的损伤检测以及健康监测中。导波具有多模态和频散特性,这增加了导波信号识别和处理的难度。因此,研究导波在蜂窝夹层结构中的传播规律不仅具有一定的学术意义,这对将导波有效应用于板状以及蜂窝结构的损伤检测还具备较大的应用价值。首先,本文通过单层板中导波的频散方程介绍了导波的多模态和频散特性,并利用二分法求解频散方程,得到了导波的相速度与群速度频散曲线。然后,针对蜂窝夹层板结构,建立了压电元件的平面问题模型,给出了基于压电元件的导波的激励与接收方法,并利用三明治夹芯板理论对蜂窝夹层结构进行简化,利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立了蜂窝夹层板的简化模型,结合有限元特征频率法得到了蜂窝夹层板中导波的频散曲线。在此基础上,利用有限元软件COMSOLMultiphysics建立了蜂窝夹层板的三维模型,分别模拟了导波在完整和含有脱粘损伤的结构中的传播过程,研究了脱粘损伤对导波传播的影响规律。最后,进行了蜂窝夹层板结构中蒙皮与蜂窝芯脱粘损伤检测的实验研究,利用损伤成像算法,实现了对蜂窝夹层结构脱粘损伤的损伤检测和定位。本文的研究表明:(1)利用等效蜂窝夹层板模型,结合有限元特征频率法可计算得到的导波的频散曲线。在100kHz时,导波包含对称模态S0、S1、S2和反对称模态A0、A1,这与仿真和实验结果一致。同时,利用该方法得到的导波各模态的群速度与实验结果十分接近。因此,可以利用等效蜂窝夹层板模型简化计算,求解导波的频散曲线。(2)当频率较低时,导波沿整个蜂窝夹层板传播;当频率较高时,导波具有“漏波”现象,导波集中在蜂窝夹层板的上层蒙皮传播,并有少量能量向蜂窝芯和下层蒙皮中泄露。(3)相较于完好结构,含脱粘损伤的结构中导波A0模态的幅值会有一定程度的增加,而其他模态幅值均无明显不同。导波中特定模态A0模态对脱粘损伤最为敏感,可作为脱粘损伤是否存在的判断依据,且A0模态幅值的增加程度随脱粘尺寸的增大而增加。当频率较低时,导波的波长较长,不能对小面积脱粘损伤做出良好响应,(4)可利用基于压电片激励和接收的实验系统和基于激光测振仪接收的实验系统采集导波信号。结果表明,导波在完好和含脱粘损伤的蜂窝夹层板中传播时,A0模态的幅值有较大的变化,A0模态对脱粘损伤最敏感。实验验证了等效蜂窝夹层板的群速度频散曲线的有效性。利用基于信号差别系数(SDC)的损伤概率成像算法可定位和重构脱粘损伤,定位结果较为精确。上述结果表明,导波中A0模态幅值的变化可用于蜂窝夹层结构中脱粘损伤的检测与定位,且结果较为准确。导波检测法具有广阔的应用前景。
【图文】：
改善了船的灵活性和稳定性；阿波罗载人飞船的三个舱全部采用了多层蜂窝夹层逡逑结构。蜂窝夹层板结构由上下蒙皮及中间蜂窝芯（通常为正六边形）经过一定的逡逑连接工艺组合到一起，如图１．１所示。蒙皮主要承受面内和横向荷载，中间蜂窝芯逡逑维持夹层板的厚度。蒙皮材料通常为复合材料或者轻质合金，芯层材料为聚合物、逡逑铝或复合材料。逡逑蒙皮逡逑胶层逡逑图１．１蜂窝夹层板结构逡逑Ｆｉｇｌ．ｌ邋Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｓａｎｄｗｉｃｈ邋ｐｌａｔｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑在重要的工程结构当中，由于蜂窝夹层结构的制造工艺、反复和过度加载或逡逑结构老化等原因导致结构损伤，这将影响整体结构的完整性和安全性，一旦这些逡逑损伤不能够被及时发现，将引发严重的安全事故［３，，４］。蒙皮与蜂窝芯之间的界面脱逡逑粘是其中最常见也是危害最严重的损伤之一，这类损伤比较隐蔽，有时蜂窝夹层逡逑板在损坏之前几乎没有任何先兆［５］。因此，对蜂窝夹层板结构的完整性评估和实时逡逑的健康监测十分必要，这对及时作出决策来阻止结构性能的退化和失效、X椉影插义稀鲥稳⒔档臀し延玫扔兄凉刂匾囊庖澹郏丁福荨ｅ义隙杂诮峁顾鹕说奈匏鸺觳
本文编号：2650161
【图文】：
改善了船的灵活性和稳定性；阿波罗载人飞船的三个舱全部采用了多层蜂窝夹层逡逑结构。蜂窝夹层板结构由上下蒙皮及中间蜂窝芯（通常为正六边形）经过一定的逡逑连接工艺组合到一起，如图１．１所示。蒙皮主要承受面内和横向荷载，中间蜂窝芯逡逑维持夹层板的厚度。蒙皮材料通常为复合材料或者轻质合金，芯层材料为聚合物、逡逑铝或复合材料。逡逑蒙皮逡逑胶层逡逑图１．１蜂窝夹层板结构逡逑Ｆｉｇｌ．ｌ邋Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｓａｎｄｗｉｃｈ邋ｐｌａｔｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑在重要的工程结构当中，由于蜂窝夹层结构的制造工艺、反复和过度加载或逡逑结构老化等原因导致结构损伤，这将影响整体结构的完整性和安全性，一旦这些逡逑损伤不能够被及时发现，将引发严重的安全事故［３，，４］。蒙皮与蜂窝芯之间的界面脱逡逑粘是其中最常见也是危害最严重的损伤之一，这类损伤比较隐蔽，有时蜂窝夹层逡逑板在损坏之前几乎没有任何先兆［５］。因此，对蜂窝夹层板结构的完整性评估和实时逡逑的健康监测十分必要，这对及时作出决策来阻止结构性能的退化和失效、X椉影插义稀鲥稳⒔档臀し延玫扔兄凉刂匾囊庖澹郏丁福荨ｅ义隙杂诮峁顾鹕说奈匏鸺觳
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