复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验

《复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014Vol35No．82348-2354ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaaedu．ca复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验周正干*，孙广开，陈秀成，王捷北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191摘要：提出解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。基于激光超声技术，进行复合材料紧固孔分层的量化表征试验。制备碳纤维增强复合材料紧固

2、孔试样，根据复合材料中激光超声的激发参量选取原则，利用材料受脉冲激光辐照作用产生的热弹效应激发超声波，提取表征紧固孑L区域分层缺陷的超声信号；分析影响缺陷表征准确度的关键因素，发现脉冲激光光斑尺寸(直径1～5mm)变化对紧固孑L分层的表征不产生显著影响；基于穿透法和脉冲反射法进行激光超声C扫描检测，得到紧固孔区域分层缺陷的形状、尺寸和位置特征。研究结果表明，利用激光超声技术的非接触式激发、接收和高分辨力特点，可以准确测得紧固孔区域分层缺陷导致的波反射和衰减，有效表征飞机复合材料结构的紧固孔分层缺陷。关键词：复合材

3、料；无损检测；钻孔；分层；激光超声中图分类号：V262；TB553文献标识码：A文章编号：10006893(2014)08—2348—07“紧固孔”是飞机复合材料结构在装配过程中进行部件连接的关键，其完整性和可靠性至关重要Ll。3J。但是，受碳纤维增强复合材料(CFRP)的层状特征和钻孔工艺影响，紧固孔区域容易产生分层缺陷，严重影响飞机结构的安全[3巧]。目前，航空制造领域广泛使用的常规超声技术难以检出此类缺陷。例如，水浸、喷水超声技术在紧固孔处会因超声波通过水层的透射和衍射传播而影响分层检出率和表征准确度；现场

4、使用的便携超声仪的声换能器尺寸大(直径大于1ram)，在紧固孔处的空间分辨力和灵敏度低，以致难以识别缺陷信号。射线和红外等其他手段也受现场条件和缺陷形式的影响而难以满足要求。因此，飞机复合材料结构紧固孑L分层的定位、定量检测是无损检测领域的一个难题，也是航空制造领域亟待解决的安全问题[1’3’5

5、。激光超声技术利用激光来激发和接收超声波进而检测材料和构件中的缺陷，具有不使用超声耦合剂和高分辨力的特点[6。7]，并且可以现(外)场应用[8]，是解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。国内外学者在利用激光超声技

6、术进行材料检测方面开展了大量研究工作[9。12。。2011年，Dubois和Drake针对飞机复合材料结构大型复杂型面的快速检测问题，研制出可以现场应用的激光超声系统[13。14]。2012年，周正干等通过自主设计的激光超声系统对复合材料进行C扫描检测，得出准确的缺陷分布特征口5

7、。以上研究为激光超声技术在飞机复合材料结构检测中的应用奠定了基础。但是，相比一般的复合材料缺陷，紧固孔分层的检测要求更为严苛，即要求检出尺寸更小的缺陷并达到更高的表征准确度。然而，关于紧固孑L收稿日期：2013-09—21；退修日期：2

8、013—10-01；录用日期：2013．11—06：网络出版时间：2013—11—1417：07网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V20131114．1707002html基金项目：国家国际科技合作专项(2013DFR70780)；航空科学基金(20120951015)*通讯作者．Tel．：010—82338668E-mail：zzhenggan@buaaedu．cn确角格武

9、ZhouZG·SunGK．ChenXC．eta1．Quantitativecharacteriza

10、tiontestoffasteningholedelaminationincompositeswithlaseru1．trasonics[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(8)：2348-23547蛹正f．孙广开．陈秀残．等．复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验￡J]航空学报，2014．35(8)：2348-2354．周正干等：复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验分层的激光超声定位、定量表征问题仍缺少必要的研究。本文进行了复合材料紧固孑L分层的激光超

11、声表征试验，为实现飞机复合材料结构紧固孔分层缺陷的定位、定量检测提供基础。120／lm)和纵波声速(约3km／s)，由式(3)得出激光脉宽应远小于40ns。因此，本研究选定的激光脉宽为10ns，以满足复合材料超声检测的频率要求。1脉冲激光的参量选取2复合材料紧固孔试样利用激光超声技术进行材料检测的前提是通过控制脉冲激光功率密度使其小于材料熔融阈值，在不损伤材料的条件下产生