超声兰姆波与复合材料脱层缺陷相互作用研究

Delamination is one of the most common and serious failure modes in composite laminates.Due to its invisibility,danger as well as the complexity of composite structure itself,ultrasonic Lamb wave detection of delamination defect has received significent attention.Because of the difficulty in solving practical acoustic scattering problem,in order to simplify the calculation,modelling the delamination as an inhomogeneity in the equivalent isotropic model in theory,only considering the 2D delamination across the full width of the laminate,current researches cannot perfectly reflect the interaction of Lamb wave with delamination defect.For local (3D) delamination defects in fiber reinforced composite laminates, combining the theory,simulation and experiment,this project will study the scattering and mode conversion characteristics of the interaction of Lamb wave with the defect so as to realize high-precisionaccurate solutions to Lamb wave scattering acoustic fields.The relationship between Lamb wave scattering acoustic fields and the defect features are established for exploring the mechanism of interaction of Lamb wave with the delamination defect.Effective signal processing method is developed to extract the pure scattered signals and isolate the desired modes.This project will research anomalous wave propagation imaging algorithm based on the full wave field data,so as to improve the resolution and precision of quantitative defect map.The achievements of this project will provide a new academic way for Lamb wave scattering problem and lay the groundwork for Lamb wave nondestructive inspection technique of delamination defects in composite laminates in the application.

脱层是复合材料中最常见和最严重的损伤模式之一，由于其不可见性、危险性以及复合材料结构本身的复杂性，脱层缺陷的超声兰姆波检测备受关注。实际声散射问题求解困难，为简化计算，在理论上将脱层等效为各向同性模型中的非均质体，数值上仅考虑贯穿整个板宽度的2D脱层，目前研究不能完整地反映兰姆波与缺陷之间的相互作用。鉴于此，本项目将针对纤维增强复合材料板中的局部（3D）脱层缺陷，综合理论、数值模拟和实验，研究兰姆波与缺陷相互作用发生的散射和模式转换问题，实现兰姆波散射声场的高精度求解；建立兰姆波散射声场与缺陷特征之间的关系，探究兰姆波与脱层缺陷相互作用机理；发展有效的信号处理方法，提取纯散射信号并从混叠的多模式信号中分离出所需要的模式；探索基于全波场信息的异常波传播成像算法，提高定量化缺陷图像的分辨率和精度。在学术上提供解决兰姆波散射问题的新途径，在应用上为复合材料脱层缺陷的兰姆波无损检测技术奠定基础。

复合材料脱层由于其不可见性、危险性以及复合材料结构本身的复杂性，基于超声兰姆波的脱层缺陷检测备受关注。本项目针对纤维增强复合材料板中的局部脱层缺陷开展研究，取得了一系列具有理论和实际价值的基础性研究成果。主要包括：①层状各向异性复合材料中兰姆波传播的频散特性分析。建立谱有限元模型，计算了多层各向异性复合材料板中兰姆波传播的相速度和群速度频散曲线，研究了铺层顺序对频散特性的影响，给出了面内位移和离面位移在板厚方向的变化曲线；②层状各向异性复合材料中兰姆波散射声场解析模型的建立与求解。将正交铺设的复合材料板等效为三维均质各向异性媒质，根据厚层合板理论，采用长波法推导出各向异性层合板的有效弹性模量。然后建立等效复合材料板中缺陷的几何模型，采用近似板理论（如Mindlin板或Born近似），得到理论上的预测结果：随脱层尺寸增大，A0波的散射幅值逐渐向前向集中，后向散射波幅值几乎可以忽略；③兰姆波与复合材料板中局部非均质体缺陷相互作用机理研究。对各模态在各个方向的散射特性进行分析，考察散射波幅度和方向对入射角度、缺陷尺寸与波长比、缺陷在厚度方向的位置等的依赖性和敏感程度，为实验中激发频率选择、传感器位置优化、模态分离以及缺陷表征奠定基础；④研究适用于多模态导波的拓扑成像方法，解决纯模式提取困难的问题。该方法是基于无缺陷参考媒介中两个声场（直接声场与伴随声场）的计算，通过直接声场与伴随声场的相乘，从而消除无缺陷处多模式混叠的干扰，提高成像分辨率；⑤发展了基于散射场信息的超声阵列后处理成像方法，探讨了其在复合材料中的适用性。充分考虑各向异性对复合材料板中兰姆波传播速度的影响，修正兰姆波理论传播模型，拓宽成像方法的适用范围；⑥兰姆波瞬态散射声场的可视化。不同时刻的瞬态散射声场直观的显示了兰姆波和缺陷的相互作用，有助于理解波的传播和散射过程。本项目的研究成果为兰姆波在复合材料无损检测中的实际应用提供了理论支撑。