[发明专利]一种复合材料刚度系数的无损测量方法

说明书

本发明公开了一种基于超声Lamb波技术的复合材料刚度系数无损识别方法，包括正问题理论建模、灵敏度分析、实验测量相速度值以及刚度系数逆问题求解四部分。正问题理论模型采用了自行推导的新型三阶板理论，求解出复合材料板中Lamb波传播的理论相速度值，该理论考虑了板波应力自由边界条件，避免了普通板理论需要计算剪切修正因子的繁琐步骤；灵敏度分析旨在选择合适的传播角度和Lamb波模态，是完备重构9个刚度系数的前提；实验采用非接触式激光超声系统，结合先进信号处理方法，完成了多角度下导波相速度值的测量；最后结合智能优化算法，通过最小化实验测量相速度值与理论计算相速度值，获得了复合材料刚度系数的最优解。

技术领域：

本发明设计了一种非接触式测量复合材料力学性能参数的方法，特别涉及到一种复合材料刚度系数的无损测量方法，该方法属于复合材料性能评估技术领域。

背景技术：

碳纤维复合材料以其高比强度、比刚度、耐腐蚀等特性，被广泛的应用于航空航天、汽车和船舶等工业领域中。然而，复合材料的力学特性分析和结构设计必须以充分准确的性能数据为前提。同时在复合材料加工制作的过程中，也需要对复合材料的力学性能进行评估，以严格监控加工工艺的实施、预防复合材料铺层错误、混杂气孔等缺陷的存在。此外，对于使用过程中的复合材料结构进行现场、原位的力学参数测量，评估复合材料的健康状况可以保证在役结构的安全和可靠性能。

传统的复合材料力学性能测试通常采用试件级别的拉伸、压缩、弯曲等试验进行测量。通过设计不同的夹具形式，在复合材料试件上产生相应的应力分布，利用布置在结构中的应变片测量对应的形变，进而对材料的弹性模量进行计算。然而，这种方法首先无法满足在役结构的无损测量条件；其次，单次试验只能获取复合材料刚度系数矩阵中的某些系数；再者，夹具的设计和实验的操作水平会严重影响试件上的应力分布，无法准确的对应应变片上的应变水平，导致材料刚度测量不准。因此，开展一种非接触式、现场原位的无损检测技术，对复合材料弹性属性进行识别，是目前复合材料性能评估领域中的一个难题。

超声波在结构中传播的能量可控，且具有传播距离远、检测灵敏度高等优点，是一种重要的无损检测手段。由于超声波在材料中传播的速度与材料刚度紧密联系，通过测量超声波在结构中传播的速度可进一步反推结构的刚度属性。超声波检测技术包含体波法和导波法，体波法在测量复合材料刚度系数研究中存在一定局限性，例如对某些刚度系数的测量误差较大、对试件尺寸有特殊要求等，因此该方法很难对各向异性复合材料所有独立的刚度系数进行原位检测。

超声导波法，即Lamb波方法，已被越来越多的应用于复合材料刚度系数重构的研究中。目前多数研究者均采用在试件表面粘贴压电片(或压电片阵列)的方法激励或接收Lamb波，这种接触式检测方法在复合材料服役过程中可能存在压电片脱粘等现象，传感器-结构耦合条件的变化会导致测量结果不准确或实验失败，无法满足原位检测的需求；另外受限于压电片的尺寸大小，该方法往往只能测量导波传播的群速度值，而非相速度值，相应地增加了正问题(即已知材料刚度求解导波速度的问题)计算的复杂性。

提出一种可靠的复合材料结构的刚度系数重构方法，实现复合材料结构独立刚度系数的非接触式、原位的无损测量，对复合材料的力学性能评估以及开展复合材料结构设计方面意义重大。

发明内容：

本发明旨在弥补现有检测手段的不足，提出一种复合材料刚度系数的无损测量方法，将复合材料铺层结构视为一有9个独立刚度系数的等效单层板，采用超声Lamb波技术，首先提出一种正问题的理论求解算法，并通过灵敏度分析选择合适的导波模态、传播角度；其次在实验上实现这些模态、传播角度下超声波相速度的非接触、原位的无损测量；最后结合先进智能算法对实验测量得相速度求逆，完成了复合材料板独立刚度系数的重构。

本发明采用如下技术方案：一种复合材料刚度系数的无损测量方法，包括如下步骤：

第一步为正问题理论建模：

首先假设复合材料铺层中导波位移场分布为