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，因其在成形過程中可能引入的缺陷（如裂紋、分層、夾雜、孔形缺陷等），對使用安全構(gòu)成威脅。為有效檢測這些缺陷，本文介紹了一種基于LAMB波與3D掃描式激光測振儀的無損探傷檢測方法。該方法通過局部增加結(jié)構(gòu)的面內(nèi)和面外振動，實現(xiàn)了對航空結(jié)構(gòu)的高效、準確檢測，并避免了LAMB波在激勵、傳播、接收及信號處理方面的復(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，對復(fù)合材料的無損檢測提出了更高要求。LAMB波作為超聲波無損檢測中的一種導(dǎo)波形式，具有快捷、高效的特點，非常適合于大面積無損檢測。然而，LAMB波的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，如需要大量的致動器/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波無損探傷檢測原理
LAMB波是超聲波在板狀結(jié)構(gòu)中傳播時形成的一種導(dǎo)波，具有縱波和橫波的特性。與常規(guī)超聲的逐點掃查不同，LAMB波檢測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、傳播、接收及信號處理方面的復(fù)雜性限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
3. 3D掃描式激光測振儀的應(yīng)用
為克服LAMB波無損探傷檢測技術(shù)的難題，本文引入了3D掃描式激光測振儀。該儀器通過非接觸式多點掃描，能夠準確測量結(jié)構(gòu)表面的振動矢量，包括面內(nèi)分量和面外分量。使用3D掃描式激光測振儀進行LAMB波無損探傷檢測的步驟如下：
信號激勵：通過信號發(fā)生器產(chǎn)生電激勵信號，并通過換能器底部壓電晶片的逆壓電效應(yīng)將電激勵信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號。
信號傳播：超聲波信號通過耦合劑進入被測薄板中，由于薄板自由邊界的約束，此時在板中傳播的就是LAMB波。
信號接收：使用3D掃描式激光測振儀接收LAMB波信號，并在被測表面上布置高密度測量網(wǎng)格，獲取每個測量點的振動矢量。
數(shù)據(jù)處理：通過Polytec的PSV軟件顯示LAMB波的面內(nèi)振動和面外振動，并以生動的3D動畫形式呈現(xiàn)出來。通過比較不同頻率下的振動幅值，可以定量檢測出結(jié)構(gòu)損傷的位置、大小及其嚴重程度。
4. 實驗案例
為驗證該方法的可行性，本文進行了兩個實驗案例：
案例一：金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋檢測
實驗對象：一塊帶有疲勞裂紋的金屬薄板。
實驗過程：使用3D掃描式激光測振儀對金屬薄板進行掃描，分別獲取75Hz和352Hz頻率下的面內(nèi)振動和面外振動數(shù)據(jù)。
實驗結(jié)果：在75Hz時，面內(nèi)振動幅值在裂紋處明顯增加；在352Hz時，面外振動幅值在裂紋處出現(xiàn)衰減。通過對比不同頻率下的振動幅值，可以準確檢測出裂紋的位置和長度。
案例二：復(fù)合材料的沖擊破壞檢測
實驗對象：一塊受沖擊破壞的復(fù)合材料板。
實驗過程：使用3D掃描式激光測振儀對復(fù)合材料板進行掃描，獲取面內(nèi)振動和面外振動數(shù)據(jù)。
實驗結(jié)果：在受沖擊區(qū)域，面內(nèi)振動幅值明顯增加，且面外振動幅值出現(xiàn)衰減。通過對比不同區(qū)域的振動幅值，可以準確檢測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掃描式激光測振儀的無損探傷檢測方法，該方法通過局部增加結(jié)構(gòu)的面內(nèi)和面外振動，實現(xiàn)了對航空結(jié)構(gòu)的高效、準確檢測。實驗結(jié)果表明，該方法能夠定量檢測出結(jié)構(gòu)損傷的位置、大小及其嚴重程度，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)的無損探傷檢測提供了一種新的解決方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。