一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质

摘要

本发明公开了一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质。连接设备并调试；将检测到的信号，以碳纤维复合材料方向为基准，基于旋转平台(4)进行θ

说明书

技术领域

本发明属于超声检测领域；具体涉及一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质。

背景技术

复合材料因其重量轻、强度高、耐高温、抗疲劳性强等优点，在航空航天等领域得到了广泛的应用。碳纤维复合材料作为一种重要的新型材料，以其优异的性能和低廉的成本在民用和军事领域发挥着重要的作用。由于其特殊的制造工艺和各向异性的结构特点，复合材料层合板在加工和使用过程中容易形成应力集中现象。研究表明，随着应力集中的扩展和累积，复合材料结构的性能会急剧下降，因此研究能够有效检测出纤维增强复合材料结构应力的无损检测方法，对复合材料的平面应力进行检测和监测具有重要的意义和价值。大量研究和应用表明，超声检测方法是复合材料最实用、最有效、应用最广泛的无损检测技术。Lamb波在传播路径上可以完全覆盖整个材料的厚度方向，尤其具有衰减小、传播距离长、检测灵敏度高等优点，因此被广泛用于检测板结构，如碳纤维复合材料。一般来说，使用接触式传感器在碳纤维复合材料板中激发Lamb波进行检测需要大量的耦合剂，这将在一定程度上影响碳纤维复合材料的性能和检测结果。虽然激光超声不需要耦合剂，但能量过高时容易破坏碳纤维复合材料。由于无耦合剂、非接触、无二次污染等优点，空气耦合超声在碳纤维复合材料板检测中具有独特的优势。

发明内容

本发明提供了一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质，用以解决现有技术中使用耦合剂影响碳纤维复合材料的性能和检测结果的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：连接设备并调试；

步骤2：将基于步骤1检测到的信号，以碳纤维复合材料方向为基准，基于旋转平台4进行ω

步骤3：将步骤2三个不同方向上的声时差测量，得到对应的声时差T

步骤4：将检测信号的声时差T、材料所受主应力σ

步骤5：基于步骤4的3个表征参数σ

所述检测方法，所述步骤1的设备具体包括激励空气耦合换能器1、接收空气耦合换能器2、碳纤维复合材料板3、旋转平台4、二维运动平台5、信号发生器、电压放大器、上位机、示波器和前置放大器；

所述二维运动平台5的直线导轨5-1通过固定连接器1-1分别与激励空气耦合换能器1和接收空气耦合换能器2相连接，所述激励空气耦合换能器1与接收空气耦合换能器2分别设置在碳纤维复合材料板3的两边，所述碳纤维复合材料板3设置在旋转平台4上，

所述激励空气耦合换能器1依次与电压放大器和信号发生器相连接，所述接收空气耦合换能器2依次与上位机、示波器和前置放大器相连接。

所述检测方法，已知纤维坐标系，即材料主方向坐标系X

设有谐振平面波

u

式中，k

当弹性波在处于变形状态的受力介质中传播时，变形状态坐标系下的波动方程为，

式中，C

令A

代入公式(1)的谐振平面波，可得各向异性介质存在初始预变形时的Christoffel方程：

(C

定义各向异性介质存在初始预变形时的Christoffel声张量，

Η

式中，l

公式(4)可简化为

(H

上式实则为关于v

将公式(6)写成矩阵形式为

方程组(7)存在非零解的充要条件时系数行列式为零，即

上式(8)即为以ρv

取碳纤维复合材料板平面内任意波矢量方向

所述检测方法，假设仅考虑碳纤维复合材料板平面内存在应力，则式(9)改写为，

将公式(10)代入公式(8)得到三个平面波：

其中准纵波v

通过进行θ

所述检测方法，所述步骤5具体为，在正交各向异性复合材料板试样的一侧，按照之前确定好的倾斜角θ放置空气耦合换能器，设置激励与接收空气耦合换能器之间的距离为L。采用同侧和俯仰捕捉法，并使用A

假定测量时取θ

联立公式(13)的三个等式即可计算出正交各向异性复合材料平面内以纤维方向为基准的主应力σ

所述检测方法，在复合材料板试样的一侧，按照之前确定好的倾斜角θ放置空气耦合换能器，设置激励与接收空气耦合换能器之间的距离为L；采用同侧和俯仰捕捉法，并使用A

信号发生器用于产生空气耦合换能器所需的中心频率为f、汉宁窗调制、脉冲数为5的正弦脉冲串激励信号；

电压放大器用于将信号发生器产生的激励信号进行电压提高，以确保空气耦合换能器激发足够的声能；

二维运动平台用于调整发射空气耦合换能器和接收空气耦合换能器之间的水平距离以及与正交各向异性复合材料板之间的高度距离；

旋转平台用于实现正交各向复合材料板的不同方向声时差检测；

前置放大器用于放大接收空气耦合换能器的回波信号；

示波器用于显示Lamb波信号和保存数据；

上位机用于显示正交各向异性复合材料平面应力检测结果。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法步骤。

本发明的有益效果是：

本发明从根本上避免耦合材料对待测件带来的二次污染问题，使得在检测过程中具有完全无接触、无侵入和无损害的优势，也可大大延长空气耦合超声换能器的使用寿命，使得空气耦合超声Lamb波检测实现在线快速检测，适用于不可使用耦合剂进行接触检测的复合材料板的缺陷超声检测。

本发明有效地实现正交各向异性复合材料平面内任意方向的应力状态。

附图说明

附图1是本发明的Lamb波频散特性曲线图。

附图2是本发明的平面应力超声检测示意图。

附图3是本发明的设备连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：连接设备并调试；

步骤2：将基于步骤1检测到的信号，以碳纤维复合材料方向为基准，基于旋转平台4进行ω

步骤3：将步骤2三个不同方向上的声时差测量，得到对应的声时差T

步骤4：将检测信号的声时差T、材料所受主应力σ

步骤5：基于步骤4的3个表征参数σ

所述检测方法，所述步骤1的设备具体包括激励空气耦合换能器1、接收空气耦合换能器2、碳纤维复合材料板3、旋转平台4、二维运动平台5、信号发生器、电压放大器、上位机、示波器和前置放大器；

所述二维运动平台5的直线导轨5-1通过固定连接器1-1分别与激励空气耦合换能器1和接收空气耦合换能器2相连接，所述激励空气耦合换能器1与接收空气耦合换能器2分别设置在碳纤维复合材料板3的两边，所述碳纤维复合材料板3设置在旋转平台4上，

所述激励空气耦合换能器1依次与电压放大器和信号发生器相连接，所述接收空气耦合换能器2依次与上位机、示波器和前置放大器相连接。

结合附图1具体说明空气耦合换能器激励频率与倾角的确定。Lamb波具有对称模态和反对称模态以及频散特性，在相同的激励频率下可能激励出多阶对称模态(S

所述检测方法，已知纤维坐标系，即材料主方向坐标系X

设有谐振平面波

u

式中，k

当弹性波在处于变形状态的受力介质中传播时，变形状态坐标系下的波动方程为，

式中，C

令A

代入公式(1)的谐振平面波，可得各向异性介质存在初始预变形时的Christoffel方程：

(C

定义各向异性介质存在初始预变形时的Christoffel声张量，

Η

式中，l

公式(4)可简化为

(H

上式实则为关于v

将公式(6)写成矩阵形式为

方程组(7)存在非零解的充要条件时系数行列式为零，即

上式(8)即为以ρv

取碳纤维复合材料板平面内任意波矢量方向

所述检测方法，假设仅考虑碳纤维复合材料板平面内存在应力，则式(9)改写为，

将公式(10)代入公式(8)得到三个平面波：

其中准纵波v

通过进行θ

所述检测方法，所述步骤5具体为，结合附图3具体说明正交各向异性复合材料平面应力检测流程。在正交各向异性复合材料板试样的一侧，按照之前确定好的倾斜角θ放置空气耦合换能器，设置激励与接收空气耦合换能器之间的距离为L。采用同侧和俯仰捕捉法，并使用A

为了简化测量和计算，可选取有利于实验条件的检测角度，假定测量时取θ

联立公式(13)的三个等式即可计算出正交各向异性复合材料平面内以纤维方向为基准的主应力σ

所述检测方法，在复合材料板试样的一侧，按照之前确定好的倾斜角θ放置空气耦合换能器，设置激励与接收空气耦合换能器之间的距离为L；采用同侧和俯仰捕捉法，并使用A

信号发生器用于产生空气耦合换能器所需的中心频率为f、汉宁窗调制、脉冲数为5的正弦脉冲串激励信号；

电压放大器用于将信号发生器产生的激励信号进行电压提高，以确保空气耦合换能器激发足够的声能；

二维运动平台用于调整发射空气耦合换能器和接收空气耦合换能器之间的水平距离以及与正交各向异性复合材料板之间的高度距离；

旋转平台用于实现正交各向复合材料板的不同方向声时差检测；

前置放大器用于放大接收空气耦合换能器的回波信号；

由于Lamb波信号在空气中衰减较大，前置放大器用于放大接收空气耦合换能器的回波信号；示波器用于显示Lamb波信号和保存数据；

上位机用于显示正交各向异性复合材料平面应力检测结果。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法步骤。