激光超声技术在复合材料检测中的应用.pdf

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1、激光超声技术在复合材料检测中的应用米季宏丽，张超，裘进浩(南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016)[摘要】激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波，可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题，南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数，进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估，取得了理论和试验验证上的进展，为航空领域的复合材料无损检测技术提

2、供了新方法。关键词：激光超声；无损检测；复合材料；信号处理DoI：10．16080巧．issnl671—833x．2017．15．016r1季宏丽副教授、硕士生导师．香江学者、全国优博获得者。一直从事智能材料与结构的研究。主要包括智能结构的减振降噪、结构无损检测、结构健康监测等，发表期刊论文80余篇，scl收录70余篇，$Cl他引290余次。}基金项目：973计划项目(2015CB057501)；国家自然科学基金项目(11372133)；江苏省基金重点项目(BK20150061)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NP2

3、016201)；333工程项目(BRA2015310)。16航空制造技术·2017年第15期复合材料在航空领域中的广泛应用是科学技术不断发展的必然趋势。与传统的金属结构相比，复合材料结构的比强度和比刚度更高，同时兼备耐磨损、抗腐蚀等优点，具有极强的可设计性，满足航空领域对结构苛刻性能的追求。许多研究表明，将先进复合材料大量应用于飞行器之中，不仅能够实现结构显著减重，而且可以提高飞行器的机动及隐身性能。例如，美国NASA的Langley研究中心在《航空航天用先进复合材料发展报告》中指出，复合材料机翼机身和气动剪裁技术能够获得亚音

4、速运输机24．3％的减重效果⋯。复合材料吸波结构在不明显增加结构重量的前提下具有吸波和承载双重功能，是先进航空装备实现高隐身不可或缺的关键材料

5、2l。然而，由于加工工艺原因，复合材料本身具有非常明显的分散性，且材料内部的微结构形式和非线性特征复杂，导致其强度、破坏形式及使用寿命难以预测【3I。因此，开展针对复合材料的原位、快速、高效的损伤检测和性能评估方法的研究可以提高航空结构安全性，促进复合材料结构的应用【4】。在众多无损检测方法中，激光超声技术随着激光激励技术的日益发展得到了越来越多的关注。与常规的水浸式超声检测利用压电换

6、能器激励结构中的超声波不同，激光超声技术采用激光照射产生的热弹效应激励结构中的超声波，其特点在于激励方式是远距离、非接触的，且通过偏转反射镜的角度进行光路的控制就能够实现大范围的扫描[5-6]o目前，在结构内部损伤评估P】、材料表面缺陷识别隅l等方面，激光超声技术都进行了很好的试验验证。特别是针对具有复杂曲面的结构(如管壁结构、钻头、风机桨叶以及涡轮叶片等)，该方法也有很好的检测效果【9。1”。随着硬件系统的进一步集成与发展，激光超声技术的应用已得到初步的工程验证。西班牙先进航空技术中心利用激光超声检测系统对复合材料机翼前缘进

7、行了激光纵波的检测方法验证，实现了该方法在复合材料中的孑L隙率检测[1210韩国全北国立大学根据激光激励出的Lamb波，对复合材料机翼结构进行了扫查，初步实现了结构冲击损伤的定位[1310此外，洛克希德·马丁公司采用激光超声检测技术对F一22的复合材料进气道进行了无损检测方法的验证[1410本文以南京航空航天大学开展的激光超声技术研究为基础，针对复合材料应用中存在的安全评估问题，介绍了激光超声技术在复合材料损伤成像、力学参数识别以及疲劳特性评估3方面的应用。激光超声技术原理激光超声技术采用高能激光脉冲照射结构表面产生热应力区激

8、发出超声波。根据超声波传导形式不同，该技术可分为纵波与Lamb波两种形式。其中，利用纵波的激光超声检测与传统的超声C扫检测类似。根据沿厚度方向传播的纵波回波或透射睛况对结构进行损伤识别【l别；而利用Lamb波的激光超声检测则是采用扫描激励或扫描传感的方式获取结构中待狈0区域的Lamb波传播数据，通过分析Lamb波的传播特征参910量区域数实现结构损伤、材料参数等方面的识别，综合评估结构的安全性能”61。以扫描激励式的激光超声技术为例，Lamb波传播数据测量的原理如图l所示，高能激光脉冲在结构的待测区域内激励Lamb波，同时在固

9、定位置采用激光多普勒测振仪或声发射传感器获取Lamb波响应信号。基于声学互易原理，获得的Lamb波信号可以认为是在检测区域内布置传感器获取固定点激励的Lamb波信号。当激励点进行扫描并采集信号时，这个过程可以等效为在检测区域内密布了传感器阵列同时获取固定位置激励的Lamb波，