基于激光激发超声导波修正慢度的碳纤维增强复合材料交叉铺层板分层检测方法

《Ultrasonics》：Detection of delamination in CFRP cross-ply laminates using the modified slowness of laser-excited ultrasonic guided waves

　　

碳纤维增强塑料（CFRPs）因其高强度重量比和高刚度重量比，广泛应用于航空航天、汽车和其他结构应用中。然而，制造或服务期间的冲击会导致层间分层，从而损害 CFRP 构件的结构完整性和强度。因此，必须可靠地检测分层以评估此类部件。本研究利用激光激励超声导波，研究了 CFRP 正交叠层板中的分层检测。特别是，评估了一种称为“修正慢度”的新量，用于基频反对称 (A0) 模态，以可视化分层区域并定量估算其深度。首先，采用全局矩阵法推导出不同厚度 CFRP 叠层板 A0 模态的色散关系，以阐明分层深度与修正慢度之间的关系。接下来，使用由可扫描脉冲激光和压电传感器组成的激光超声实验系统，从 CFRP 试件上采集波场数据。然后根据两个相邻的波场测量值计算修正慢度，并证实实验中观察到的由分层引起的变化与理论预测一致。该方法具有高分辨率、低计算成本和数值稳定性。最后，通过将冲击头放置在原始的 CFRP 叠层板上引入冲击损伤。成功检测到了产生的花生状分层，并使用修正慢度评估估算了其深度。

碳纤维增强塑料（CFRPs）因其高强度重量比和高刚度重量比，已被广泛应用于飞机和汽车等各种结构应用中 [1]。当 CFRPs 在制造或服务过程中受到冲击时，材料内部可能会产生肉眼难见的冲击损伤，从而降低其结构完整性。此类损伤必须进行检测，以确保结构完整性和安全性 [2]。已开发出各种无损检测技术，如射线检测 [3]、涡流检测、红外热成像 [4] 和超声方法。其中，基于超声导波的技术引起了广泛关注，因为导波对缺陷高度敏感，并且由于其长距离传播特性，可用于检测大面积区域 [5]。

特别是，已研究了基于激光激励超声导波的可视化技术 [6]、[7]。这些技术通过扫描试件并使用压电传感器收集超声信号来重构波场。位于导波传播路径上的缺陷会改变其波传播行为 [8]、[9]、[10]。然后根据这些传播变化来识别缺陷。

许多研究考虑了基于导波的缺陷检测的不同方面 [5]。例如，研究了由于缺陷引起的波反射，并证明其有效 [11]、[12]。然而，Guo 等人关于带有分层正交叠层板的工作表明，S0 模态无法在剪切应力为零的深度处反射 [13]。因此，S0 模态的反射无法用于识别给定分层的深度。虽然 A0 模态对于各种深度都会发生反射，但对于厚度中心处的分层，反射率相对较小 [14]。即使检测到反射波，分层的深度也无法唯一确定，因为当板翻转时反射率是相同的。除了波反射之外，还研究了模态转换。例如，Pudepeddi 等人对准各向同性 CFRP 板进行了实验，发现由 A0 模态分层转换而来的 S0 模态振幅很小 [15]。此外，虽然文献 [16] 和 [8] 中讨论了分层处也发生能量捕获，但捕获能量与分层深度之间的关系尚未完全理解。迄今为止，已提出各种量来表征不同的缺陷，包括均方根 (RMS) 值 [17]、局部波能量 [18]、零滞后互相关 [19]、空间梯度 [20]、曲率 [21] 和相邻波之间的异常 [22]。然而，这些量尚未应用于估算 CFRP 叠层板中分层的深度。

可用于识别分层深度的物理量与色散特性相关，如局部波数 [23]、[24] 和慢度 [25]。慢度定义为相速度的倒数，通过将波数除以角频率计算得出。在 [26] 中，Mei 等人将分层区域中新出现的波数与理论色散曲线进行了比较，并利用这些信息识别分层深度。然而，他们未考虑分层的空间定位。在 [27] 中，Rogge 等人使用带圆柱形孔洞的铝合金板模型进行了有限元法模拟，并表明随着缺陷区域中剩余厚度的增加，波数减小。随后，实验研究了铺层为 [(0/45/-45/90)3 0]s 的 CFRP 叠层板中的冲击损伤，并表明较浅的分层波数较大。然而，由于使用了空间滤波器，其结果的空间分辨率有限。

在我们之前的研究 [28] 中，我们提出了一种利用两个相邻波的傅里叶分量计算局部波数的方法。该方法具有高分辨率和低计算成本。尽管文献中报道了类似的研究 [29]、[30]，但我们的方法在频域的平均策略方面有所不同。因此，基于实验数据的估算具有数值稳定性。我们发现使用这种方法可以成功检测到蜂窝夹芯结构中的脱粘 [28]。

在本研究中，我们扩展了之前的工作，提出修正慢度作为相关的物理量，并将此度量应用于检测 CFRP 叠层板中的分层。修正慢度定义为慢度与角频率平方根的乘积，即等于波数除以角频率的平方根。因此，基频反对称 (A0) 模态的修正慢度在低频范围内几乎保持恒定。因此，可以使用修正慢度获得频域中的中位数，从而实现数值稳定性。首先，我们阐明了 CFRP 正交叠层板中修正慢度与分层深度之间的关系。我们表明，可以通过在两个不同方向上获得的修正慢度值来估算分层深度。随后，对含有一个人工分层的 CFRP 正交叠层板进行了激光超声实验，以验证这种关系。最后，我们研究了 CFRP 叠层板中的冲击损伤，结果表明使用修正慢度可以准确估算分层的形状和深度。

章节片段

计算导波的修正慢度

在本节中，我们描述了如何使用 CFRP 正交叠层板分析由分层引起的导波传播变化。当发生分层时，导波通过较薄的子叠层传播。因此，我们研究了针对不同层数的导波的色散关系。

可以使用全局矩阵法推导多层板中导波的色散关系 [31]。首先，每一层中的导波是

数据采集

实验装置如图 3 所示。为了采集数据，我们使用了激光超声可视化检测仪 (LUVI-CP2; Tsukuba Technology Co., Ltd)。通过波长为 1064 nm、束径为 0.5 mm、脉冲持续时间为 7 ns、能量为 165 μJ 的脉冲激光照射产生超声导波。使用压电传感器 (AE104S, Fuji Ceramics Corp.) 检测传播的导波。波场数据是在传感器保持固定的情况下采集的

人工分层

首先，准备了一个含有人工分层的 CFRP 正交叠层试件。在预浸料片 (T300SC/2500, Toray) 的铺层过程中，在四个角处插入了特氟龙片，结构为 [02/902]s，如图 8 所示。四片特氟龙片放置在第 ?? 层和第 (??+1) 层之间的不同深度，其中 ??=1,2,3, 和 4。热压成型后，用手拉动从叠层板中突出的特氟龙片部分 (图 8)。然后移除了特氟龙片

讨论

在本研究中，我们进行了一个人工分层和一个冲击损伤案例的实验验证。我们讨论了所提出方法对更复杂形式的损伤（如多层分层和深度随位置变化的不规则分层）的适用性。在两个位于不同层间深度的分层重叠的情况下，可以通过检查正面和背面来估算两个深度。如果有三个分层重叠，识别

结论

在本研究中，我们基于评估两个不同方向上 A0 模态的修正慢度，研究了 CFRP 正交叠层板中的分层检测。主要发现总结如下：

为 A0 模态定义了一种称为修正慢度的新量。研究表明，修正慢度对频率的依赖性较小，这使其适合在频域范围内进行平均。修正慢度与分层深度之间的关系是

CRediT 作者贡献声明

Osamu Saito: 撰写 – 初稿，方法论，调查，资金获取，概念化。Weikun Chen: 撰写 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查，数据管理。Yoji Okabe: 撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本研究得到日本学术振兴会科研费 (JSPS KAKENHI，项目编号 JP 24 K07503) 和高桥产业经济研究基金的资助。

Osamu Saito|Weikun Chen|Yoji Okabe

御茶水女子大学理工学部，日本大阪茨木市西明石 2-1-15, 大阪 567-8502