[发明专利]一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法、系统及装置

说明书

一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法、系统及装置，属于超声应力检测领域。传统非线性超声应力检测存在系统误差且特殊的纤维材料应力检测导致材料结构和性能被破坏。本发明所述的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法，包括：根据处理待测纤维增强复合材料获得纯净Lamb波模态，所述纯净的Lamb波包含对称模态S₀和反对称模态A₀；根据频散曲线确定反对称模态A₀群速度，根据反对称A₀模态进行空耦超声检测；空耦超声检测待测纤维增强复合材料，获得待测纤维增强复合材料试样相对非线性系数，即获得待测纤维增强复合材料试样实现应力表征。本发明消除了耦合剂的影响，增强了纤维增强复合材料应力检测的灵活性，提高了检测效率。

技术领域

本发明属于超声应力检测领域，尤其涉及一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法。

背景技术

纤维增强复合材料同时继承了碳纤维材料和基体材料的部分优点，具有密度低、强度大、模量高、耐磨损、耐高温、抗磁性强、抗腐蚀性强、抗疲劳等特点。近20年来，纤维增强复合材料得到了迅速发展，继在航空航天等高新技术领域发挥重要作用后，纤维增强复合材料在汽车加工、船舶制造、医疗化工等领域也逐渐开始崭露头角。在纤维增强复合材料层合板内，层与层之间的树脂材料是应力传递的主要介质。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，对于及时发现试件应力集中并采取应对措施，延长试件使用寿命，减少社会经济损失，有着重要意义。

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液体作为声耦合剂，以减少超声波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。

目前，基于声弹性理论的超声应力检测方法应用广泛，但应力的变化引起声速变化较小故检测灵敏度较低，无法保证应力检测的准确性。当固体材料内部存在应力时，由于三阶弹性常数对材料的应力更为敏感，且固体材料本构关系中的非线性系数与结构的三阶弹性常数之间存在定量关系,因此非线性超声检测特征参数比线性超声特征参数(如声速、声衰减等)对应力表征具有更高灵敏度。

然而，非线性超声应力检测的激励与接收大都采用接触式超声换能器配合特定角度的楔块，通过分析回波来得出非线性系数，由非线性系数与应力的关系实现应力的检测。采用传统接触式超声探头必须配合耦合剂的使用，耦合剂的薄厚以及接触情况会引入系统非线性，对非线性超声的应力检测带来系统误差，对于特殊的纤维增强复合材料，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，并且渗透到材料损伤部位，对其结构和性能造成破坏。

发明内容

本发明解决了传统非线性超声应力检测存在系统误差和特殊的纤维材料应力检测导致材料结构和性能被破坏的问题。

一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法，包括：

根据处理待测纤维增强复合材料获得纯净Lamb波模态，所述纯净的Lamb波包含对称模态S₀和反对称模态A₀；

根据频散曲线确定反对称模态A₀群速度，根据反对称A₀模态进行空耦超声检测；

空耦超声检测待测纤维增强复合材料，获得待测纤维增强复合材料试样相对非线性系数，即获得待测纤维增强复合材料试样实现应力表征。

进一步的，所述根据处理待测纤维增强复合材料获得纯净Lamb波模态，包括：