[发明专利]一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法

说明书

本发明公开了一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法。步骤一：组装检测设备；步骤二：基于步骤一的检测设备和Lamb波双模态声时比，采用单向加载应力，得到不同的应力系数关系；步骤三：基于步骤二的应力系数关系，求解应力系数；步骤四：基于步骤三的应力系数，获取三个声时比；步骤五：基于步骤四的声时比描述检测点的应力状态；步骤六：重复步骤四和步骤五，直至完成检测扫描。大幅提高复合材料板应力系数标定以及空耦超声应力表征的准确度。

技术领域

本发明超声检测技术领域，具体涉及一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法。

背景技术

自20世纪30年代连续玻璃纤维生产技术得到开发，并成功用于增强酚醛树脂开始，复合材料已有80多年的发展历史。用于航空航天的碳纤维增强的树脂基复合材料，也就是先进复合材料于20世纪60年代中期问世，并首先用于军用飞行器结构上。50多年来，先进复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。复合材料除密度小、比强度及比模量高外，还具有性能可适应性、良好的耐疲劳性能、良好的抗腐蚀性等优势。近20年来，复合材料的应用范围不断扩大，除航空航天外，在船舰、交通、能源、建筑、机械以及休闲等领域也得到了广泛应用。然而，复合材料板在制造或装配过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响进而导致残余应力的出现，残余应力会引起复合材料板发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。因此，研究用于复合材料板的应力检测方法，对于延长其使用寿命，减少经济损失，保障设备安全具有重要意义。

超声检测是五大常规无损检测之一，具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低、设备相对简单、对人体无害等优点。超声检测分为接触式和非接触式。接触式超声检测技术需在超声换能器和待测试样之间用施加声耦合剂，以减少声能在空气中传播的损失。使用耦合剂一方面增加了人为因素对结果的影响，另一方面很难满足工业自动化生产和质量控制的需要，限制了超声检测的适用范围。非接触式超声检测，无需耦合剂，检测过程简单、方便，检测结果可避免人为耦合因素的影响，是快速无损检测技术的主要发展方向之一。此外，对于特殊的复合材料，使用接触式超声检测时水或者其他耦合剂会使材料受到污染，并且渗透到材料内部，对其结构和性能造成破坏，故只能使用非接触式超声进行应力检测。

随着显微机械加工技术的发展以及高分子材料技术的进步，高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能器的制作取得了较大的突破，加上低噪声、高增益的放大器的研制及计算机信号处理技术的发展，使空气耦合式超声波非接触无损检测技术有了长足的进步，并在非接触无损检测领域获得了较好的应用成果。

Lamb波是在固体板中传播的一种弹性波，其粒子运动方向位于包含波传播方向和平面法线的平面内。Lamb波的性质被证明是相当复杂的，随着计算能力的快速发展，对Lamb的理解和利用有了很大的进步，Lamb波的理论公式已经大量应用于无损检测领域。由声弹性理论可知，当超声波在各向异性材料中传播时，会受到材料各向异性和内部应力的双重影响而发生声速的细微变化。当材料的各向异性情况以知的情况下，可以利用声速的变化来实现应力的表征。

现有的超声应力检测技术大多采用声时差反映存在应力状态下声速的变化进而实现应力的表征。无论是本发明还是现有技术，要对未知应力进行表征，首先要通过拉伸实验对应力系数进行标定。但是，现有技术的应力系数与超声波传播距离L有关，由于在采用空耦超声非接触式检测时，实际的超声波传播距离L会受到加工、装配工艺的影响无法准确获得，而且测量过程中温度的变化也会导致L发生变化，进而会导致应力系数标定以及应力测量结果不准确。本发明利用Lamb波的对称模态与反对称模态的声时比消去了应力系数表达式中引入的超声波传播距离L，从而消除了空气耦合超声应力检测中装配、加工工艺以及以及温度变化对应力测量的影响，提高了应力定量表征的准确度。

发明内容

本发明提供一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法，减少误差，实现大幅提高复合材料板应力系数标定以及空耦超声应力表征的准确度。