一種基于斯通利波能量轉移特性的多層板損傷檢測方法
【技術領域】
[0001] 本公開設及屬于機械結構無損檢測領域，特別是一種基于多層復合板中斯通利波 在兩界面間存在能量轉移運一特性實現對多層復合板某一特定界面上損傷的單獨檢測或 兩界面上損傷的同時檢測的損傷檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著新技術、新產業的出現，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，其應用領域受到極大地限制。在 運種情況下，復合材料的研制、生產和應用越來越顯示其重要的地位。
[0003] 層狀金屬復合材料作為復合材料的一種，其可W發揮組分材料各自的優勢，實現 各組分材料資源的最優配置，節約貴重金屬材料，實現單一金屬不能滿足的性能要求，且工 藝相對簡單，具有較高的強度、耐腐蝕性和良好的導電、導熱、導磁等綜合性能，在航天、石 油、機械、化工、汽車、造船、建筑、電力、電子、核能化及家用電器、日常生活用品等領域得到 了廣泛地應用。
[0004] 層狀金屬復合材料的層狀結構，使其在生產加工和工程使用過程中常常出現局部 貫穿裂紋、厚板的層間裂紋、局部分層等損傷，運些損傷改變了結構局部或整體的剛度與強 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救措施，隨著損傷的累積，最 終可能導致結構局部或整體的突然失效，極有可能造成人員傷亡與財產損失。因此，對層狀 金屬復合材料結構損傷進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波，其在平板中不發生頻 散，可W在實驗設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。另外，斯通利波在層合界面內具有高剪切能量和大的面內位移， 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合板的裂紋、分層等損傷的 檢測。但是，隨著層狀金屬復合板的層數的增多，聲發射傳感器激發的導波信號能量分散到 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，進而可W實現利用不同的激勵頻率對不同界面進行單獨檢 巧。，運種方法使檢測結果更加精確，大大提高了界面損傷的檢測能力。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于，提供一種基于斯通利波層間能量轉移特性的多層復合板損傷 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，實現了 對多層復合板的結合界面損傷進行檢測。
[0007] 一種基于斯通利波能量轉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合界面發生能量轉 移的激勵頻率；
[0009] S200、產生激勵信號：基于S100選擇的激勵頻率，產生相應的激勵信號，并施加于 具有結合界面的所述多層板；
[0010] S300、采集信號：采集在板間結合界面傳播的斯通利波信號；
[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波信號和端面反射信號之間。
[0012] 因此，本發明具有下列顯著優勢：
[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，實現了 對多層復合板某一界面上損傷的單獨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，在遠離界面的方向上迅速衰減，運種波結構特性使 得斯通利波更適合于界面間損傷識別；
[0016] 4)本發明檢測操作方便，各界面間故障信息詳盡，大大提高了多層復合板損傷檢 測效率；
[0017] 5)當多層復合板為=層復合板時，通過選擇合適的斯通利波激勵頻率，能夠實現 對兩個結合界面是否損傷進行同時檢測，大大提高=層復合板的損傷檢測效率；
[0018] 6)本發明簡單可靠，便于工程實踐中使用。
【附圖說明】
[0019] 圖1為Al-Steel界面和Stee^Ti界面界面波位移結構理論曲線，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 界面波結構曲線；
[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=層復合板兩界面上的斯通利波信號的時域圖及其包絡圖；
[0024] 圖6為=層復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。
【具體實施方式】
[00%] 在一個基礎的實施例中，提供了一種基于斯通利波能量轉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合界面發生能量轉 移的激勵頻率；
[0028] S200、產生激勵信號：基于SlOO選擇的激勵頻率，產生相應的激勵信號，并施加于 具有結合界面的所述多層板；
[0029] S300、采集信號：采集在板間結合界面傳播的斯通利波信號；
[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波信號和端面反射信號之間。
[0031] 在本實施例中，所述方法利用斯通利波能夠在板間界面發生能量轉移的特性，通 過選擇有利于判斷斯通利波在兩界面發生能量轉移的激勵頻率，有利于分析損傷是否存在 W及估算損傷的位置；并結合斯通利波遇到損傷會產生反射的特性，進而實現對所述板的 一個界面的損傷檢測，或兩界面的損傷同時檢測。運里所述能量轉移是指在不同界面上存 在能量此起彼伏的現象。
[0032] 所述能量轉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] 在進行損傷判斷時，只要判斷出直達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傳播時的幅值變化，進 而生成界面波結構曲線，W供激勵頻率選擇參考；
[0037] 所述界面波結構曲線用于幫助判斷斯通利波在兩界面發生能量轉移的大小；
[0038] 所述界面波結構曲線，W與損傷檢測界面相關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] 通過生成界面波結構曲線，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，而在判斷能量轉移時通常使用橫向位移來判斷。
[0040] 在一個實施例中，所述方法通過仿真生成不同激勵頻率的斯通利波在板結合界面 上傳播時的幅值變化，進而生成界面波結構曲線；所述界面波結構曲線用于幫助判斷斯通 利波在兩界面發生能量轉移的大小；所述界面波結構曲線的生成為W與損傷檢測界面相關 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構曲線，選擇在界面結合處能量 轉移明顯的激勵頻率作為檢測時使用的激勵頻率。
[0042] 優選的，所述步驟S200通過在與結合界面相關的一層板的一個端面上安裝激勵 信號產生裝置來實現。運里所說的與結合界面相關的一層板是指該板有一個面構成結合界 面的一部分，斯通利波在結合界面處發生能量轉移，所述能量轉移是指在不同界面上存在 能量此起彼伏的現象。
[0043] 可選的，所述激勵信號產生裝置為壓電陶瓷片。但還可W用其他激勵裝置來產生 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，但是優選的，所述表面波探頭部署在產生激勵信號板面的 上下表面上。
[0045] 優選的，所述方法通過對所采集信號的包絡圖，W估算被檢測界面的損傷位置。
[0046] 進一步地，當多層板為=層板時，且=層板的材質不同時，所述方法在S001之 后，、S100步驟之前，還包括如下步驟：
[0047] S002、生成兩個結合界面上傳播的斯通利波的信號幅值比曲線，結合在步驟S001 生成的界面波結構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合界面傳播幅值，A2為 斯通利波在第二層板面與第=層板面之間的結合界面傳播幅值。
[0051] 所述幅值可W是橫向位移，