一種基于斯通利波能量轉(zhuǎn)移特性的多層板損傷檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開設(shè)及屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)無損檢測領(lǐng)域，特別是一種基于多層復(fù)合板中斯通利波 在兩界面間存在能量轉(zhuǎn)移運(yùn)一特性實(shí)現(xiàn)對多層復(fù)合板某一特定界面上損傷的單獨(dú)檢測或 兩界面上損傷的同時檢測的損傷檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，對具有各種不同性能的工程材料的需求越來越廣泛。 單一的金屬材料或受自然資源的局限，或因綜合性能不足，其應(yīng)用領(lǐng)域受到極大地限制。在 運(yùn)種情況下，復(fù)合材料的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用越來越顯示其重要的地位。
[0003] 層狀金屬復(fù)合材料作為復(fù)合材料的一種，其可W發(fā)揮組分材料各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn) 各組分材料資源的最優(yōu)配置，節(jié)約貴重金屬材料，實(shí)現(xiàn)單一金屬不能滿足的性能要求，且工 藝相對簡單，具有較高的強(qiáng)度、耐腐蝕性和良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、導(dǎo)磁等綜合性能，在航天、石 油、機(jī)械、化工、汽車、造船、建筑、電力、電子、核能化及家用電器、日常生活用品等領(lǐng)域得到 了廣泛地應(yīng)用。
[0004] 層狀金屬復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)，使其在生產(chǎn)加工和工程使用過程中常常出現(xiàn)局部 貫穿裂紋、厚板的層間裂紋、局部分層等損傷，運(yùn)些損傷改變了結(jié)構(gòu)局部或整體的剛度與強(qiáng) 度，對使用者的安全造成威脅，如不能及時檢測損傷并采取補(bǔ)救措施，隨著損傷的累積，最 終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部或整體的突然失效，極有可能造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此，對層狀 金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測是非常必要的。 陽〇化]斯通利波是一種存在于成層固體層間界面處的超聲導(dǎo)波，其在平板中不發(fā)生頻 散，可W在實(shí)驗(yàn)設(shè)備允許的條件下提高頻率。隨著頻率的提高，斯通利波的波長減小，其對 微小缺陷的檢測能力增強(qiáng)。另外，斯通利波在層合界面內(nèi)具有高剪切能量和大的面內(nèi)位移， 對界面上的弱綁定和分層損傷更為敏感，非常適合層狀金屬復(fù)合板的裂紋、分層等損傷的 檢測。但是，隨著層狀金屬復(fù)合板的層數(shù)的增多，聲發(fā)射傳感器激發(fā)的導(dǎo)波信號能量分散到 不同的層中，有些界面上的斯通利波幅值大，故障特征信號可W被檢測到，而有些界面上的 斯通利波幅值小，故障特征信號不易被檢測到，所W選擇斯通利波幅值大時的激勵頻率作 為檢測該界面故障的激勵頻率，進(jìn)而可W實(shí)現(xiàn)利用不同的激勵頻率對不同界面進(jìn)行單獨(dú)檢 巧。，運(yùn)種方法使檢測結(jié)果更加精確，大大提高了界面損傷的檢測能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于斯通利波層間能量轉(zhuǎn)移特性的多層復(fù)合板損傷 檢測方法，通過選擇合適的激勵頻率W保證能量集中而用于特定界面損傷的檢測，實(shí)現(xiàn)了 對多層復(fù)合板的結(jié)合界面損傷進(jìn)行檢測。
[0007] 一種基于斯通利波能量轉(zhuǎn)移特性的多層板損傷檢測方法，所述方法包括下述步 驟：
[0008]S100、選擇激勵頻率：選擇有利于判斷斯通利波在多層板的結(jié)合界面發(fā)生能量轉(zhuǎn) 移的激勵頻率；
[0009] S200、產(chǎn)生激勵信號：基于S100選擇的激勵頻率，產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號，并施加于 具有結(jié)合界面的所述多層板；
[0010] S300、采集信號：采集在板間結(jié)合界面?zhèn)鞑サ乃雇ɡㄐ盘枺?br>[0011] S400、分析判斷損傷：通過分析所采集的信號來判斷被測界面的損傷是否存在，若 存在損傷，則損傷形成的反射回波信號在直達(dá)波信號和端面反射信號之間。
[0012] 因此，本發(fā)明具有下列顯著優(yōu)勢：
[0013] 1)通過選擇合適的激勵頻率W保證能量集中而用于特定界面損傷的檢測，實(shí)現(xiàn)了 對多層復(fù)合板某一界面上損傷的單獨(dú)檢測或兩界面上損傷的同時檢測；
[0014] 2)斯通利波為界面波，，適宜求解界面問題，可W被用來進(jìn)行多層板界面間損傷檢 測；
[0015] 3)斯通利波能量集中于界面，在遠(yuǎn)離界面的方向上迅速衰減，運(yùn)種波結(jié)構(gòu)特性使 得斯通利波更適合于界面間損傷識別；
[0016] 4)本發(fā)明檢測操作方便，各界面間故障信息詳盡，大大提高了多層復(fù)合板損傷檢 測效率；
[0017] 5)當(dāng)多層復(fù)合板為=層復(fù)合板時，通過選擇合適的斯通利波激勵頻率，能夠?qū)崿F(xiàn) 對兩個結(jié)合界面是否損傷進(jìn)行同時檢測，大大提高=層復(fù)合板的損傷檢測效率；
[0018] 6)本發(fā)明簡單可靠，便于工程實(shí)踐中使用。
【附圖說明】
[0019] 圖1為Al-Steel界面和Stee^Ti界面界面波位移結(jié)構(gòu)理論曲線，其中ul為橫向 位移，u2為縱向位移；
[0020] 圖2為通過仿真軟件ABA卵S生成的激勵頻率分別為333曲Z、500曲Z和750曲Z的 界面波結(jié)構(gòu)曲線；
[0021] 圖3為無損傷=層板上界面和下界面上的斯通利波信號的時域圖及包絡(luò)圖；
[0022] 圖4為無損傷=層板Al-Steel界面與Stee^Ti界面上的斯通利波信號的幅值比 隨激勵頻率的變化曲線；
[0023] 圖5 (1)~（3)分別為激勵頻率是333曲z、600曲Z和900曲Z時，表面波探頭接收 到的帶損傷的=層復(fù)合板兩界面上的斯通利波信號的時域圖及其包絡(luò)圖；
[0024] 圖6為=層復(fù)合板及傳感器安裝示意圖；
[00巧]其中：1-1為A1板層界面損傷，1-2為Ti板層界面損傷，2為壓電陶瓷片，3-1為第 一表面波探頭，3-2為第二表面波探頭，4為Al-Steel界面，5為Stee^Ti界面，6為A1板 層，7為Steel板層，8為Ti板層。
【具體實(shí)施方式】
[00%] 在一個基礎(chǔ)的實(shí)施例中，提供了一種基于斯通利波能量轉(zhuǎn)移特性的多層板損傷檢 測方法，所述方法包括下述步驟：
[0027] S100、選擇激勵頻率：選擇有利于判斷斯通利波在多層板的結(jié)合界面發(fā)生能量轉(zhuǎn) 移的激勵頻率；
[0028] S200、產(chǎn)生激勵信號：基于SlOO選擇的激勵頻率，產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號，并施加于 具有結(jié)合界面的所述多層板；
[0029] S300、采集信號：采集在板間結(jié)合界面?zhèn)鞑サ乃雇ɡㄐ盘枺?br>[0030] S400、分析判斷損傷：通過分析所采集的信號來判斷被測界面的損傷是否存在，若 存在損傷，則損傷形成的反射回波信號在直達(dá)波信號和端面反射信號之間。
[0031] 在本實(shí)施例中，所述方法利用斯通利波能夠在板間界面發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的特性，通 過選擇有利于判斷斯通利波在兩界面發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的激勵頻率，有利于分析損傷是否存在 W及估算損傷的位置；并結(jié)合斯通利波遇到損傷會產(chǎn)生反射的特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對所述板的 一個界面的損傷檢測，或兩界面的損傷同時檢測。運(yùn)里所述能量轉(zhuǎn)移是指在不同界面上存 在能量此起彼伏的現(xiàn)象。
[0032] 所述能量轉(zhuǎn)移的判斷通過斯通利波的幅值在界面變化來判斷，若界面處上的斯通 利波的幅值越大表明斯通利波能量越集中于該界面，說明運(yùn)一激勵頻率更適合檢測此界面 損傷。兩界面上損傷的同時檢測，指的是在某一激勵頻率下，兩界面的斯通利波信號均能夠 清晰地提取故障信息，此時的激勵頻率可W用于兩界面上損傷的同時檢測。
[0033] 在進(jìn)行損傷判斷時，只要判斷出直達(dá)波信號和端面反射信號后，界面間的損傷不 論是一個還是多個，都可W通過分析信號成分得到。
[0034] 可選的，通過分析采集信號的時域圖來對損傷分析判斷。
[0035] 優(yōu)選的，所述方法在步驟S100之前，還包括：
[0036] S001、通過仿真生成不同激勵頻率的斯通利波在板間界面?zhèn)鞑r的幅值變化，進(jìn) 而生成界面波結(jié)構(gòu)曲線，W供激勵頻率選擇參考；
[0037] 所述界面波結(jié)構(gòu)曲線用于幫助判斷斯通利波在兩界面發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的大??；
[0038] 所述界面波結(jié)構(gòu)曲線，W與損傷檢測界面相關(guān)的若干板的總厚度為一個維度，W 斯通利波的幅值變化為另一個維度。
[0039] 通過生成界面波結(jié)構(gòu)曲線，能夠描述在某一頻率下，斯通利波在板間界面上的位 移分布情況，包括橫向位移和縱向位移，而在判斷能量轉(zhuǎn)移時通常使用橫向位移來判斷。
[0040] 在一個實(shí)施例中，所述方法通過仿真生成不同激勵頻率的斯通利波在板結(jié)合界面 上傳播時的幅值變化，進(jìn)而生成界面波結(jié)構(gòu)曲線；所述界面波結(jié)構(gòu)曲線用于幫助判斷斯通 利波在兩界面發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的大??；所述界面波結(jié)構(gòu)曲線的生成為W與損傷檢測界面相關(guān) 的若干板的總厚度為橫軸，W斯通利波的幅值變化為縱軸。
[0041] 通過觀察不同激勵頻率下的斯通利波的界面波結(jié)構(gòu)曲線，選擇在界面結(jié)合處能量 轉(zhuǎn)移明顯的激勵頻率作為檢測時使用的激勵頻率。
[0042] 優(yōu)選的，所述步驟S200通過在與結(jié)合界面相關(guān)的一層板的一個端面上安裝激勵 信號產(chǎn)生裝置來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)里所說的與結(jié)合界面相關(guān)的一層板是指該板有一個面構(gòu)成結(jié)合界 面的一部分，斯通利波在結(jié)合界面處發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，所述能量轉(zhuǎn)移是指在不同界面上存在 能量此起彼伏的現(xiàn)象。
[0043] 可選的，所述激勵信號產(chǎn)生裝置為壓電陶瓷片。但還可W用其他激勵裝置來產(chǎn)生 激勵信號。
[0044] 可選的，所述步驟S300使用表面波探頭來采集信號。而如果采用表面波探頭來采 集信號，并不限制其部署的位置，但是優(yōu)選的，所述表面波探頭部署在產(chǎn)生激勵信號板面的 上下表面上。
[0045] 優(yōu)選的，所述方法通過對所采集信號的包絡(luò)圖，W估算被檢測界面的損傷位置。
[0046] 進(jìn)一步地，當(dāng)多層板為=層板時，且=層板的材質(zhì)不同時，所述方法在S001之 后，、S100步驟之前，還包括如下步驟：
[0047] S002、生成兩個結(jié)合界面上傳播的斯通利波的信號幅值比曲線，結(jié)合在步驟S001 生成的界面波結(jié)構(gòu)曲線來選擇激勵頻率； W48] 所述信號幅值比為P:
[0050]其中，Ai為斯通利波在第一層板面與第二層板面之間的結(jié)合界面?zhèn)鞑シ担珹2為 斯通利波在第二層板面與第=層板面之間的結(jié)合界面?zhèn)鞑シ怠?br>[0051] 所述幅值可W是橫向位移，