本文關鍵詞： 復合材料層板 蘭姆波 沖擊損傷 空氣耦合超聲 成像檢測　出處：《南昌航空大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：復合材料層板由于具有密度小、強度好、力學性能強等優(yōu)點,而被廣泛應用于航天航空等重要領域。然而,由于復合材料層板的垂直方向抗沖擊性能較差,在役期間可能遭受來自冰雹、碎石、工具墜落等各種情況的沖擊。復合材料的沖擊損傷缺陷在表面目視檢查時并不明顯,但內部損傷可能對材料強度和力學性能產(chǎn)生了較大的破壞,對飛行器整體結構的安全性形成了嚴重的威脅。對大面積復合材料層板的在役檢測而言,空氣耦合超聲蘭姆波檢測方法以非接觸快速檢測、可單側面布置傳感器的特點,在自動成像檢測上有著突出的優(yōu)勢。本文首先基于薄板蘭姆波的基本理論,介紹了多層結構各向異性材料頻散曲線計算推導過程。以飛機蒙皮結構常采用的碳纖維復合材料層板作為研究對象,研究了相應蘭姆波傳播的頻散關系曲線和板厚方向質點振動位移分布,并分析了檢測頻率與入射角的之間的影響規(guī)律。結果表明,利用空氣耦合蘭姆波檢測該材料時,宜選用A0模態(tài)蘭姆波,0.4MHz的檢測頻率下,激發(fā)A0模態(tài)蘭姆波的理論入射角為11.5°。其次,基于時域有限差分數(shù)值計算方法,建立了碳纖維復合層板的漏蘭姆波檢測模型。通過對模擬和實驗對比和分析了傳感器入射角、缺陷和材料各向異性對漏蘭姆波信號的影響。結果顯示,入射角處于11.0o至14.0o范圍內,漏蘭姆波接收效率最佳,缺陷處的蘭姆波信號有著明顯的衰減,掃描檢測方法可判斷缺陷嚴重程度,沿試件水平方向傳播的蘭姆波的傳播速度和衰減規(guī)律基本呈各向同性。再其次,采用焊縫TOFD相類似的掃描成像方法,對含沖擊損傷的實驗試件進行了蘭姆波D掃(非平行掃查)成像檢測研究,引入了四種損傷指數(shù)DI(Damage Index)來表征復合材料層板的沖擊損傷,根據(jù)其分析方法特點分類為:時域損傷指數(shù)、頻域損傷指數(shù)、時頻域損傷指數(shù)、時間反轉損傷指數(shù)。以D掃檢測信號的時頻分析、時反處理等信息變換結果為基礎,計算得到了表征損傷的特征值DI。對比可知,四種損傷指數(shù)算法的數(shù)值范圍以及適用條件不同,但都能明顯得表征缺陷嚴重程度,其中時頻域損傷指數(shù)表征缺陷區(qū)域的效果最佳。最后,基于概率算法的橢圓成像理論,根據(jù)空氣耦合蘭姆波掃描檢測的實際情況,改進了概率損傷掃描成像算法。在概率損傷成像算法中以四種損傷指數(shù)作為板結構缺陷重構成像的特征值,將不同掃描路徑上的特征值數(shù)據(jù)進行融合,得到了復合材料層板沖擊缺陷的二維圖像,實現(xiàn)了沖擊損傷缺陷的位置和形狀等定量特征的描述。對比四種損傷指數(shù)下的融合圖像可知,時域損傷指數(shù)成像圖中干擾信號較多,頻域損傷算法與時頻域成像成像相對較為清晰,時間反轉損傷指數(shù)成像對比度較小。
[Abstract]:Composite laminates are widely used in aerospace and other important fields because of their low density, good strength and strong mechanical properties. However, the vertical impact resistance of composite laminates is poor. During service may suffer from hail, gravel, tool fall and other circumstances of impact damage defects in the composite surface visual inspection is not obvious. However, the internal damage may cause great damage to the strength and mechanical properties of the material, and pose a serious threat to the safety of the whole aircraft structure, and also to the in-service detection of large area composite laminates. The air-coupled ultrasonic Lamb wave detection method has the advantages of non-contact fast detection and single-side arrangement of sensors, so it has outstanding advantages in automatic imaging detection. Firstly, this paper is based on the basic theory of thin plate Lamb wave. This paper introduces the calculation and derivation of dispersion curve of multilayer anisotropic materials. The carbon fiber composite laminates, which are often used in aircraft skin structures, are taken as the research object. The dispersion curve of the corresponding Lamb wave propagation and the vibration displacement distribution of the particle in the plate thickness direction are studied, and the influence of the detection frequency on the incident angle is analyzed. When using air coupled Lamb wave to detect the material, the theoretical incident angle of excited A0 mode Lamb wave is 11.5 擄at the detection frequency of 0.4 MHz of A0 mode Lamb wave. Based on the finite difference time domain (FDTD) numerical calculation method, the leakage Lamb wave detection model of carbon fiber composite laminates is established. The incident angle of the sensor is compared and analyzed by simulation and experiment. The effect of defects and material anisotropy on the leaky Lamb wave signal. The results show that the incident angle is between 11.0o and 14.0o, and the receiving efficiency of leaky Lamb wave is the best. The Lamb wave signal at the defect has obvious attenuation, scanning detection method can judge the severity of the defect, the propagation velocity and attenuation law of the Lamb wave propagating along the horizontal direction of the specimen is isotropic basically. The Lamb wave D-scan (non-parallel scanning) imaging detection was carried out on the experimental specimens with impact damage by using a similar scanning imaging method of weld TOFD. Four kinds of damage indices (DI(Damage Index) are introduced to characterize the impact damage of composite laminates. According to the characteristics of the analysis methods, the damage index in time domain and frequency domain are classified as: time domain damage index and frequency domain damage index. Time-frequency domain damage index, time reversal damage index. Based on the results of time-frequency analysis, time-inverse processing and other information transformation results of D-scan detection signal, the characteristic value Di is calculated to characterize the damage. The numerical range and applicable conditions of the four damage index algorithms are different, but all of them can clearly characterize the severity of defects, and the damage index in time-frequency domain is the best. The elliptical imaging theory based on probabilistic algorithm, according to the actual situation of air coupled Lamb wave scanning detection. In the probabilistic damage imaging algorithm, four damage indices are used as the eigenvalues of the reconstruction imaging of plate structure defects, and the data of the eigenvalues on different scanning paths are fused. The two-dimensional images of impact defects of composite laminates are obtained, and the quantitative characteristics of impact damage defects such as location and shape are described. The fusion images under four damage indices are compared. There are many interference signals in time-domain damage exponent imaging, the frequency-domain damage algorithm and time-frequency imaging are relatively clear, and the contrast of time-reversal damage index imaging is relatively small.
【學位授予單位】：南昌航空大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB33;TB302.5

【參考文獻】

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本文編號：1474989