李敏1 杨志盛1 徐钊亮1 李凯强1 李阔2
中国民航大学 1机场学院；2电气自动化学院 天津市 300300
摘要：航空复合材料的损伤问题作为发展大型民航客机的技术基础课题，对民航客机的安全性具有举足轻重的作用。通过建立航空复合材料超声波非线性系数测量系统，来描述航空复合材料早期损伤程度，并对材料剩余寿命进行预测与评估。对标准件实验材料进行损伤检测获得标准件材料的波信号，对波信号经过FFT变化，得到基波和因损伤而产生的高次谐波，进而得到标准件的超声非线性系数β0和损伤准则。在相同条件下，对不同循环程度下的试件进行非线性超声检测，依据不同损伤程度的材料超声非线性系数值β与标准试件的非线性系数β0的比值，能够预测其损伤损伤程度和剩余使用寿命，这不仅对航空复合材料的力学性能退化程度检测提供指导，对材料损伤寿命预测也有着潜在的应用价值。
关键词：航空复合材料；材料损伤检测；航空器安全；超声波探伤
1.研究背景
交通工具的安全可靠性与正确、恰当的选材有着很大的关系，在航空航天器迈向“更轻、更快、更安全”的道路上，复合材料起到了不可或缺的作用，20世纪70年代后，航空工业中对复合材料的使用量正在不断增加，研发适用于新时代的航空复合材料以及对航空复合材料损伤、耐久的有效评估已成为整个航空产业所要面临的共性问题。而材料损伤破坏一般可分为三个阶段：早期的力学性能退化、损伤的起始与积累以及最后的断裂失效，并且第一、第二阶段占整的80%~90%[1]。目前市面上采用的航空复合材料检测评估手段使用的是较为成熟的超声无损检测技术，由于线性物理参数对材料和结构的早期力学性能退化并不太敏感，该技术仅能检测材料的宏观缺陷，然而尚未将超声无损检测技术应用于材料的早期力学性能退化过程中相关实验研究表明[2-3]航空复合材料的早期力学性能退化与超声波的非线性效应密切相关，随着损伤周数的增加，其非线性系数也将明显增加，可见，超声非线性系数反映了当声波穿过非线性材料时波形畸变的程度，可以作为描述介质非线性的量化指标。国内外的许多学者对非线性超声无损检测技术已经开展了一些研究工作[4-5]，Kyong-Young Jhang[6]主要得出了如二次谐波与非线性系数随着损伤周数增加而增加结论，税国双[7]等对非线性超声无损检测技术的研究现状做出富有前瞻性的综述等。
为了合理的对航空复合材料的损伤程度进行检测和评估，必须要定量地了解固体中非线性超声传播规律，从固体介质内的一维纵波非线性波动方程[8]中得到的非线性系数的表达式[9]，研发出的一套通过对基波振幅等数值的测量后计算得出非线性系数的实验系统，以实现材料早期非线性超声波损伤程度的检测，并且利用该系统对航空复合材料早期损伤程度以及剩余寿命进行了评价和预测。
2.研究内容
通过固体介质内的一维纵波非线性波动方程得到非线性系数的表达式，确定表达式中的待测参数；通过损伤探测仪分别对标准件试件材料和不同循环程度下的试件材料进行非线性超声检测，进而获得可用于计算非线性技术的参数值，进而计算不同损伤程度的材料超声非线性系数值β和标准试件的非线性系数值β0；根据非线性系数间的关系，完成材料的损伤损伤程度和剩余寿命预测和分析。项目的技术路线如图1所示。
图 1 技术路线简图
2.1非线性系数的确定
超声波在异质界面上会发生反射、折射和波形转换，尤其是不能通过气体固体界面，反射回来的超声波被探头接收，经过处理显示出变化的波形。由于超声波在介质中传播，会发生衰减或散射，可以据此判断缺陷的深度、位置、形状等。金属在早期损伤阶段，由于位错和滑移带等微观缺陷的存在，当单一频率的超声波在金属材料内部传播时会发生波形畸变，从而产生高次谐波。损伤程度的不同会引起位错组态等微观结构的变化，不同的位错组态将导致不同程度的高次谐波产生。通过对这些高次谐波的检测，可以对材料和结构的早期力学性能退化做出有效的无损检测和评估。
为了定量地了解固体中非线性超声传播规律，cantrell和breazeal[9]等科学家从连续介质理论出发，建立了固体介质内的一维纵波非线性波动方程：
此公式中 为波数，第一项为0级近似解，第二项为1级近似解，由于材料的非线性特性，波在传播过程中频率发生改变，出现了高次谐波 。由近似解可知，基波幅度为： 二次谐波幅度为： 由此关系可得，二次谐波的幅度与频率的平方，超声波传播的距离和材料的超声非线性系数成正比，进而可以得到材料的非线性系数为：
在确定了声波频率w和样品长度x，通过对基波和二次谐波幅度A1和A2的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。
2.2损伤检测
基于上述理论，我们建立超声波非线性系数测量系统，对实验材料进行检测，对接收到的波信号利用matlab进行FFT变化，得到基波和因损伤而产生的高次谐波，并据此得到超声非线性系数β。超声非线性系数β反映了当声波穿过非线性材料时波形畸变的程度，可以作为描述介质非线性的量化指标。进而依据β对材料早期力学性能退化做出有效的无损检测和评估。
2.2.1 超声波曲线
通过损伤探测仪分别对标准件试件材料和不同循环程度下的试件材料进行非线性超声检测，分别获得标准件试件材料和不同循环程度下的试件材料的检测声波信号。设置仪器初始参数，频率、探头零点等值，在测试点涂上耦合剂，保证探头与试件之间的稳定耦合，进行超声测试。测试得到的波形图如图2所示。
3. 创新特色
1）可实现材料早期非线性超声波损伤程度的检测，
2）可实现对航空复合材料早期损伤程度以及剩余寿命进行了评价和预测。
4. 应用前景（结语）
非线性超声波损伤检测系统的提出不仅可以广泛应用与航空器制造业，同样也可以利用与如汽车工业或者建筑工业等，该系统的提出不仅加深使用者对复合材料、金属损伤的理解，从另一方面来说页拓宽了超声波技术在人类社会中的使用，现如今市面上的非线性超声波损伤检测系统十分少见。本项目的提出不仅对损伤损伤问题的研究提供了必要的技术手段，也将对材料工程领域具有重要的理论意义和广泛的应用价值。
参考文献：
[1]Cantrell J H.Substructural organization，dislocation plasticity and harmonic generation in cyclically stressed wavy slip metals. In：Proc. R.Soc. Lond.A，2004；460（2043）：1-24
[2]Cantrell J H，Yost W T.Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue micro-structures. Int. J. Fatigue，2001；23（S1）：S487—S490
[3]Kim J Y，Jacobs L J，Qu J，littles J W.Experimental characterization of fatigue damage in a nickel-base super-alloy using nonlinear ultrasonic waves. Journal of the Acoustic Society of America，2006；120（3）：1266—1273
[4]颜丙生，刘自然，张跃春，汤宝平.非线性超声检测镁合金早期损伤的试验研究.机械工程学报，2013；49（4）：20—24
[5]吴斌，颜丙生，李佳锐，何存富.镁合金损伤早期非线性超声在线检测实验研究，2011；36（5）527—533
[6]Kyung-Yound Jhang，Kyung-Cho Kim.Evaluation of material degradation using nonlinear acoustic effect. Ultrasonics，1997；37（1）39—44
[7]税国双，汪越胜，曲建民.材料力学性能退化的超声无损检测与评价.力学进展，2005；35（1）：52—68
[8]Breazeale M A，Jacob Philip.“Determination of third-order elastic constants from ultrasonic harmonic generation measurements”in Physical Acoustics. New York：Academic Press，INC，1984；17：1—60
[9]税国双，汪跃胜.利用直接激发Rayleigh表面波的方法测量材料的声学非线性系数，2008；33（4）：378—384
论文作者:李敏1,杨志盛1,徐钊亮1,李凯强1,李阔2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/31
标签：损伤论文; 超声论文; 材料论文; 系数论文; 复合材料论文; 超声波论文; 程度论文; 《防护工程》2018年第8期论文;