复合材料层板冲击损伤空气耦合兰姆波成像检测方法研究

摘要

复合材料层板由于具有密度小、强度好、力学性能强等优点，而被广泛应用于航天航空等重要领域。然而，由于复合材料层板的垂直方向抗冲击性能较差，在役期间可能遭受来自冰雹、碎石、工具坠落等各种情况的冲击。复合材料的冲击损伤缺陷在表面目视检查时并不明显，但内部损伤可能对材料强度和力学性能产生了较大的破坏，对飞行器整体结构的安全性形成了严重的威胁。对大面积复合材料层板的在役检测而言，空气耦合超声兰姆波检测方法以非接触快速检测、可单侧面布置传感器的特点，在自动成像检测上有着突出的优势。
　　本文首先基于薄板兰姆波的基本理论，介绍了多层结构各向异性材料频散曲线计算推导过程。以飞机蒙皮结构常采用的碳纤维复合材料层板作为研究对象，研究了相应兰姆波传播的频散关系曲线和板厚方向质点振动位移分布，并分析了检测频率与入射角的之间的影响规律。结果表明，利用空气耦合兰姆波检测该材料时，宜选用A0模态兰姆波，0.4MHz的检测频率下，激发A0模态兰姆波的理论入射角为11.5°。
　　其次，基于时域有限差分数值计算方法，建立了碳纤维复合层板的漏兰姆波检测模型。通过对模拟和实验对比和分析了传感器入射角、缺陷和材料各向异性对漏兰姆波信号的影响。结果显示，入射角处于11.0°至14.0°范围内，漏兰姆波接收效率最佳，缺陷处的兰姆波信号有着明显的衰减，扫描检测方法可判断缺陷严重程度，沿试件水平方向传播的兰姆波的传播速度和衰减规律基本呈各向同性。
　　再其次，采用焊缝TOFD相类似的扫描成像方法，对含冲击损伤的实验试件进行了兰姆波D扫（非平行扫查）成像检测研究，引入了四种损伤指数DI(Damage Index)来表征复合材料层板的冲击损伤，根据其分析方法特点分类为：时域损伤指数、频域损伤指数、时频域损伤指数、时间反转损伤指数。以D扫检测信号的时频分析、时反处理等信息变换结果为基础，计算得到了表征损伤的特征值DI。对比可知，四种损伤指数算法的数值范围以及适用条件不同，但都能明显得表征缺陷严重程度，其中时频域损伤指数表征缺陷区域的效果最佳。
　　最后，基于概率算法的椭圆成像理论，根据空气耦合兰姆波扫描检测的实际情况，改进了概率损伤扫描成像算法。在概率损伤成像算法中以四种损伤指数作为板结构缺陷重构成像的特征值，将不同扫描路径上的特征值数据进行融合，得到了复合材料层板冲击缺陷的二维图像，实现了冲击损伤缺陷的位置和形状等定量特征的描述。对比四种损伤指数下的融合图像可知，时域损伤指数成像图中干扰信号较多，频域损伤算法与时频域成像成像相对较为清晰，时间反转损伤指数成像对比度较小。

目录

第1章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 课题相关领域的国内外研究现状及发展

1.3 课题研究内容和目标

第2章 复合材料空气耦合超声兰姆波理论基础

2.1 复合材料结构兰姆波传播理论

2.2复合材料层板空气耦合兰姆波的激励方法

2.3 本章小结

第3章 基于空气耦合兰姆波的复合材料检测方法

3.1 复合材料空气耦合兰姆波检测数值模拟

3.2 复合材料空气耦合兰姆波检测实验

3.3 本章小结

第4章 复合材料损伤兰姆波检测特征量分析

4.1 冲击损伤的兰姆波检测方法

4.2 损伤指数分析

4.3 本章小结

第5章 复合材料层板空气耦合超声兰姆波特征值成像

5.1 空气耦合兰姆波扫描成像算法

5.2 基于损伤指数图像融合成像结果

5.3 本章小结

第6章 总结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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