基于周期结构声学特征分析的蜂窝结构脱粘缺陷无损检测新方法

Honeycomb structures are increasingly being adopted for aeronautical applications due to their high strength-to-weight ratios as compared to traditional structures. However, how to implement fast and efficient nondestructive testing for the debonding defect in the honeycomb structure is always an important scientific problems in this field. A new thought of debonding detection was brought up in this project: Due to the space periodicity of honeycomb core, the wide-band ultrasound will be modulated, and the band structure characteristics，which is generated by modulation, will be like propagating in phononic crystal. Therefore the quality of honeycomb structure can be fast evaluated by measuring and analyzing these characteristics changes caused by defects such as debondings exist. The key scientific problems in this project are the construction of the acoustic propagation model for the honeycomb structure, and the interaction mechanism between ultrasound wave and defects. The congruent relationship between defects and received signal characteristics will be determined. Additionally, the dry coupling transducer used for wide-band ultrasound exciting-receiving will be designed and manufactured to verify and improve this method. The success of this project will be of great significance to the security of serving honeycomb structures.

蜂窝结构作为轻质和高强度复合材料广泛地应用于航空、航天等领域。然而如何实施蜂窝结构脱粘缺陷的快速有效的无损检测，一直是本领域重要的科学难题。本基金提出了一种蜂窝结构脱粘检测新思路：由于蜂窝芯具有空间周期性，使在蒙皮中传播的宽带超声受到蜂窝芯调制而产生类似于声子晶体中出现的带结构特征，而蜂窝结构缺陷如脱粘等会改变这种特征，通过对其测量和分析可以对蜂窝结构连接质量进行快速无损检测。为此，本基金将着重解决蜂窝结构的声传播模型的建立，以及缺陷与蜂窝结构中声波相互作用机理等关键科学问题；并由此确定结构内部缺陷与接收信号特征之间的对应关系；此外还将通过设计并制作用于宽带超声激励-接收的干耦合探头，检验并完善这一无损检测方法。本基金的研究成功将对提高航空航天等领域内大量应用的蜂窝结构使用安全性具有重要意义。

蜂窝结构作为轻质和高强度复合材料广泛地应用于航空、航天等领域。然而如何实施蜂窝结构脱粘缺陷的快速有效的无损检测，一直是本领域重要的科学难题。本项目利用蜂窝结构的空间周期性特点，提出了一种对蜂窝结构进行快速无损检测的新方法。设计研制了相应的软硬件实验平台，并与机械手结合形成自动检测系统样机；设计加工了用于蜂窝结构脱粘缺陷检测实验的试样；探讨了声波在完好蜂窝结构与脱粘缺陷中传播特性；计算分析了几何参数对于蜂窝结构声传播特性的影响以及带隙的产生机制；实验分析了检测参数的选取方法，定义了损伤因子，从而对脱粘缺陷的进行了表征。.研究表明，利用蜂窝结构的周期性特点对其进行建模，可以更准确地得到其中的声传播特性。蜂窝结构的声传播模式可以按振动方向分为两类，弯曲波模式（Z向振动）与非弯曲波模式（XY平面内振动），两类模式相互正交，不发生耦合。由于蜂窝芯对面板的调制作用产生了局域共振，弯曲波模式之间产生了强烈耦合，形成了弯曲波带隙。带隙频段与蜂窝芯边长的平方大致呈反比关系，同时，蜂窝芯相对面板的刚度越大，则蜂窝芯对面板的调制作用越强，带隙越明显。在脱粘区，蜂窝芯对面板的调制消失，带隙也随之消失，根据此特征可以对脱粘进行判别。.完好蜂窝结构及脱粘区透射谱仿真及实测结果表明，带隙特征可用于脱粘缺陷的检测。对于完好区，当收发探头距离超过3个蜂窝芯边长时，即可观测到明显的带隙特征；而收发探头之间的声传播路径上存在缺陷时，带隙特征减弱，随着缺陷区占比增加，带隙逐渐消失；而检测方向对结果影响不大。采用LabVIEW+Python混合编程实现了检测装置的自动化，定义了用于表征缺陷的损伤因子，实现了蜂窝结构的快速检测。.本项研究为蜂窝结构焊/粘接接头质量的无损检测提供了一种新型的快速评价方法，也可对其它周期性结构的缺陷检测提供方法学方面的借鉴。