摘要
航空結構中的板形構件，特別是厚度小于6mm的薄板件，因其在成形過程中可能引入的缺陷（如裂紋、分層、夾雜、孔形缺陷等），對使用安全構成威脅。為有效檢測這些缺陷，本文介紹了一種基于LAMB波與3D掃描式激光測振儀的無損探傷檢測方法。該方法通過局部增加結構的面內和面外振動，實現了對航空結構的高效、準確檢測，并避免了LAMB波在激勵、傳播、接收及信號處理方面的復雜性研究。
1. 引言
隨著復合材料在航空領域的廣泛應用，其非均質性和各向異性導致的缺陷問題日益凸顯。這些缺陷不僅影響復合材料的性能，還可能引發疲勞破壞事故。因此，對復合材料的無損檢測提出了更高要求。LAMB波作為超聲波無損檢測中的一種導波形式，具有快捷、高效的特點，非常適合于大面積無損檢測。然而，LAMB波的應用也面臨一些挑戰，如需要大量的致動器/傳感器、復雜的數據解讀以及受環境因素影響等。
2. LAMB波無損探傷檢測原理
LAMB波是超聲波在板狀結構中傳播時形成的一種導波，具有縱波和橫波的特性。與常規超聲的逐點掃查不同，LAMB波檢測一次可以掃查一條線，且收發探頭可置于試件的同一側，便于操作。然而，LAMB波在激勵、傳播、接收及信號處理方面的復雜性限制了其在工業生產中的廣泛應用。
3. 3D掃描式激光測振儀的應用
為克服LAMB波無損探傷檢測技術的難題，本文引入了3D掃描式激光測振儀。該儀器通過非接觸式多點掃描，能夠準確測量結構表面的振動矢量，包括面內分量和面外分量。使用3D掃描式激光測振儀進行LAMB波無損探傷檢測的步驟如下：
信號激勵：通過信號發生器產生電激勵信號，并通過換能器底部壓電晶片的逆壓電效應將電激勵信號轉化為超聲波信號。
信號傳播：超聲波信號通過耦合劑進入被測薄板中，由于薄板自由邊界的約束，此時在板中傳播的就是LAMB波。
信號接收：使用3D掃描式激光測振儀接收LAMB波信號，并在被測表面上布置高密度測量網格，獲取每個測量點的振動矢量。
數據處理：通過Polytec的PSV軟件顯示LAMB波的面內振動和面外振動，并以生動的3D動畫形式呈現出來。通過比較不同頻率下的振動幅值，可以定量檢測出結構損傷的位置、大小及其嚴重程度。
4. 實驗案例
為驗證該方法的可行性，本文進行了兩個實驗案例：
案例一：金屬結構的疲勞裂紋檢測
實驗對象：一塊帶有疲勞裂紋的金屬薄板。
實驗過程：使用3D掃描式激光測振儀對金屬薄板進行掃描，分別獲取75Hz和352Hz頻率下的面內振動和面外振動數據。
實驗結果：在75Hz時，面內振動幅值在裂紋處明顯增加；在352Hz時，面外振動幅值在裂紋處出現衰減。通過對比不同頻率下的振動幅值，可以準確檢測出裂紋的位置和長度。
案例二：復合材料的沖擊破壞檢測
實驗對象：一塊受沖擊破壞的復合材料板。
實驗過程：使用3D掃描式激光測振儀對復合材料板進行掃描，獲取面內振動和面外振動數據。
實驗結果：在受沖擊區域，面內振動幅值明顯增加，且面外振動幅值出現衰減。通過對比不同區域的振動幅值，可以準確檢測出沖擊破壞的位置和分層面積。
5. 結論
本文介紹了一種基于LAMB波與3D掃描式激光測振儀的無損探傷檢測方法，該方法通過局部增加結構的面內和面外振動，實現了對航空結構的高效、準確檢測。實驗結果表明，該方法能夠定量檢測出結構損傷的位置、大小及其嚴重程度，且不受環境因素影響，直接、快速、可靠。該方法為航空結構的無損探傷檢測提供了一種新的解決方案，具有廣泛的應用前景。