摘要
航空結(jié)構(gòu)中的板形構(gòu)件，特別是厚度小于6mm的薄板件，因其在成形過(guò)程中可能引入的缺陷（如裂紋、分層、夾雜、孔形缺陷等），對(duì)使用安全構(gòu)成威脅。為有效檢測(cè)這些缺陷，本文介紹了一種基于LAMB波與3D掃描式激光測(cè)振儀的無(wú)損探傷檢測(cè)方法。該方法通過(guò)局部增加結(jié)構(gòu)的面內(nèi)和面外振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空結(jié)構(gòu)的高效、準(zhǔn)確檢測(cè)，并避免了LAMB波在激勵(lì)、傳播、接收及信號(hào)處理方面的復(fù)雜性研究。
1. 引言
隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其非均質(zhì)性和各向異性導(dǎo)致的缺陷問(wèn)題日益凸顯。這些缺陷不僅影響復(fù)合材料的性能，還可能引發(fā)疲勞破壞事故。因此，對(duì)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)提出了更高要求。LAMB波作為超聲波無(wú)損檢測(cè)中的一種導(dǎo)波形式，具有快捷、高效的特點(diǎn)，非常適合于大面積無(wú)損檢測(cè)。然而，LAMB波的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，如需要大量的致動(dòng)器/傳感器、復(fù)雜的數(shù)據(jù)解讀以及受環(huán)境因素影響等。
2. LAMB波無(wú)損探傷檢測(cè)原理
LAMB波是超聲波在板狀結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)形成的一種導(dǎo)波，具有縱波和橫波的特性。與常規(guī)超聲的逐點(diǎn)掃查不同，LAMB波檢測(cè)一次可以掃查一條線，且收發(fā)探頭可置于試件的同一側(cè)，便于操作。然而，LAMB波在激勵(lì)、傳播、接收及信號(hào)處理方面的復(fù)雜性限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
3. 3D掃描式激光測(cè)振儀的應(yīng)用
為克服LAMB波無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的難題，本文引入了3D掃描式激光測(cè)振儀。該儀器通過(guò)非接觸式多點(diǎn)掃描，能夠準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)矢量，包括面內(nèi)分量和面外分量。使用3D掃描式激光測(cè)振儀進(jìn)行LAMB波無(wú)損探傷檢測(cè)的步驟如下：
信號(hào)激勵(lì)：通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)換能器底部壓電晶片的逆壓電效應(yīng)將電激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)。
信號(hào)傳播：超聲波信號(hào)通過(guò)耦合劑進(jìn)入被測(cè)薄板中，由于薄板自由邊界的約束，此時(shí)在板中傳播的就是LAMB波。
信號(hào)接收：使用3D掃描式激光測(cè)振儀接收LAMB波信號(hào)，并在被測(cè)表面上布置高密度測(cè)量網(wǎng)格，獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)矢量。
數(shù)據(jù)處理：通過(guò)Polytec的PSV軟件顯示LAMB波的面內(nèi)振動(dòng)和面外振動(dòng)，并以生動(dòng)的3D動(dòng)畫形式呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)比較不同頻率下的振動(dòng)幅值，可以定量檢測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷的位置、大小及其嚴(yán)重程度。
4. 實(shí)驗(yàn)案例
為驗(yàn)證該方法的可行性，本文進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)案例：
案例一：金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋檢測(cè)
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：一塊帶有疲勞裂紋的金屬薄板。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用3D掃描式激光測(cè)振儀對(duì)金屬薄板進(jìn)行掃描，分別獲取75Hz和352Hz頻率下的面內(nèi)振動(dòng)和面外振動(dòng)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在75Hz時(shí)，面內(nèi)振動(dòng)幅值在裂紋處明顯增加；在352Hz時(shí)，面外振動(dòng)幅值在裂紋處出現(xiàn)衰減。通過(guò)對(duì)比不同頻率下的振動(dòng)幅值，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出裂紋的位置和長(zhǎng)度。
案例二：復(fù)合材料的沖擊破壞檢測(cè)
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：一塊受沖擊破壞的復(fù)合材料板。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用3D掃描式激光測(cè)振儀對(duì)復(fù)合材料板進(jìn)行掃描，獲取面內(nèi)振動(dòng)和面外振動(dòng)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在受沖擊區(qū)域，面內(nèi)振動(dòng)幅值明顯增加，且面外振動(dòng)幅值出現(xiàn)衰減。通過(guò)對(duì)比不同區(qū)域的振動(dòng)幅值，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出沖擊破壞的位置和分層面積。
5. 結(jié)論
本文介紹了一種基于LAMB波與3D掃描式激光測(cè)振儀的無(wú)損探傷檢測(cè)方法，該方法通過(guò)局部增加結(jié)構(gòu)的面內(nèi)和面外振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空結(jié)構(gòu)的高效、準(zhǔn)確檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠定量檢測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷的位置、大小及其嚴(yán)重程度，且不受環(huán)境因素影響，直接、快速、可靠。該方法為航空結(jié)構(gòu)的無(wú)損探傷檢測(cè)提供了一種新的解決方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。