基于激光技術(shù)的振動和超聲檢測方法研究.pdf

1、開展面向航空結(jié)構(gòu)的損傷檢測方法研究是預(yù)防重大事故發(fā)生、提高飛行器經(jīng)濟效益、降低維護成本的重要手段。然而，常用的無損檢測方法多以接觸式的方式對結(jié)構(gòu)進行檢測，對于具有復(fù)雜曲面形式的航空結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)難以滿足高自動化程度和高檢測效率的要求。針對這一問題，本文開展了基于激光技術(shù)的非接觸式、遠距離無損檢測方法研究。該方法的實質(zhì)是采用激光傳感或激光激勵的方式提取損傷引起的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)變化，從而對損傷的位置和程度進行評估。在檢測過程中，激光光

2、路經(jīng)過偏轉(zhuǎn)鏡的反射落在待測結(jié)構(gòu)的表面。通過改變反射鏡的轉(zhuǎn)角就能夠非常方便地實現(xiàn)激光大范圍的移動和掃描。因此，該技術(shù)適合應(yīng)用在檢測面積很大的航空結(jié)構(gòu)中。
　　本文具體從激光振動和激光超聲兩個方面進行無損檢測方法的研究。首先，激光振動損傷檢測方法利用結(jié)構(gòu)的低頻振動響應(yīng)，能夠?qū)p傷出現(xiàn)的位置進行識別；其次，采用激光超聲損傷檢測方法，激勵結(jié)構(gòu)中的高頻Lamb波信號，實現(xiàn)對損傷具體形貌的成像。論文從理論推導、數(shù)值仿真、系統(tǒng)搭建和實驗驗證等多

3、個方面開展了深入的研究，主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.提出了基于稀疏邊界測量技術(shù)的虛擬激勵檢測方法。①建立了虛擬激勵法在“弱”形式下的檢測原理；②推導了損傷特征因子與虛擬單元邊界振動響應(yīng)之間的關(guān)系；③提出了激勵頻率和權(quán)函數(shù)的選擇方法，避免了算法中使用數(shù)值差分求解振動位移高階導數(shù)的過程；④采用數(shù)值仿真的手段驗證了所提出方法的檢測效果。這部分研究主要解決了傳統(tǒng)嚴格形式下虛擬激勵法抗噪能力弱的缺點，并采用了虛擬單元劃分的方式，通過離散

4、單元檢測的手段減少了測量的點數(shù)。
　　2.建立了激光振動與含金屬芯壓電纖維智能夾層組合的損傷檢測系統(tǒng)。①以基于稀疏邊界測量技術(shù)的損傷檢測方法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合了激光多普勒測振和含金屬芯壓電纖維智能夾層兩種測量方式進行了系統(tǒng)搭建；②提出了含金屬芯壓電纖維智能夾層的封裝方法及其標定流程；③通過歐拉-伯努利梁的實驗，驗證了所提出方法的有效性。這部分研究主要解決了結(jié)構(gòu)分布式高頻應(yīng)變的測量問題，并采用多傳感系統(tǒng)融合的方式實現(xiàn)了虛擬單元邊界振動

5、情況的測量，實現(xiàn)了所提出檢測方法的應(yīng)用。
　　3.提出了基于Lamb波波場數(shù)據(jù)分析的損傷成像方法。①在激光超聲檢測技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播波場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了損傷附近Lamb波傳播的簡化模型；②提出了基于小波變換的Lamb波干涉能量提取算法；③提出了基于入射波異常信號能量提取的損傷成像方法。通過這部分內(nèi)容的研究，從理論上分析了損傷對Lamb波傳播產(chǎn)生的影響，并提取了能夠用于表征損傷位置和形狀的特征因子，為激光超聲檢測系統(tǒng)的

6、建立與損傷成像技術(shù)的實施奠定了基礎(chǔ)。
　　4.研制了激光超聲損傷檢測系統(tǒng)。①采用二維掃描振鏡控制脈沖激光在待測結(jié)構(gòu)表面的掃描，實現(xiàn)了可移動的Lamb波激勵方式。利用聲發(fā)射傳感器和激光多普勒測振儀對固定位置的Lamb波響應(yīng)信號進行獲取，通過聲學互易原理，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播過程的可視化；②從面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的角度，開發(fā)了一套綜合硬件驅(qū)動、掃描控制、信號處理和數(shù)據(jù)分析等功能的系統(tǒng)管理軟件；③實驗驗證了該系統(tǒng)能夠在金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

7、中實現(xiàn)自動化的Lamb波傳播數(shù)據(jù)采集，并成功地在飛機機翼結(jié)構(gòu)中得到了驗證。
　　5.開展了激光超聲無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與驗證。①對典型的金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行了損傷成像方法的實施，實驗結(jié)果驗證了所提出方法在損傷成像分辨率上的提高；②實驗研究了損傷延伸方向與損傷深度對檢測效果的影響；③結(jié)合激光超聲檢測系統(tǒng)和疲勞拉伸試驗系統(tǒng)對復(fù)合材料不同疲勞載荷周期數(shù)下的波場進行了獲取，建立了Lamb波傳播相速度、傳播衰減率和模態(tài)能量分布比與疲勞周期數(shù)