基于Lamb波的CFRP-钢胶接界面分层损伤检测研究

作     者：何超超 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘志平

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：CFRP-钢结构 界面分层 Lamb波 传播特性 RAPID 

摘      要：碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻高强的力学性能已在工业领域被广泛应用。当CFRP与金属胶接时,胶接界面在各种因素作用下易发生脱粘而演变成分层损伤,是胶接结构的薄弱环节,特别是在CFRP加固的钢结构中,界面的分层将极大地降低整体结构的承载能力,因此对该类型损伤进行检测非常有必要性。针对Lamb检测技术,目前Lamb波在界面分层处传播的线性特征规律尚不清晰,分层所引起的波非线性特征及其影响因素分析还不详细,利用lamb波对分层损伤进行精确定位还有待进一步研究。基于此,本文以CFRP-钢胶接板中的分层损伤为检测对象,以lamb波为检测手段,主要完成了以下工作:(1)根据三维弹性理论建立了正交各向异性和各向同性板的Lamb波相速度求解模型,结合传递矩阵建立了CFRP-钢胶接板的频散方程,为频散曲线的绘制提供理论依据;借助模态有限元分析法绘制了Lamb波在CFRP-钢胶接板中的频散曲线,为后续的信号分析提供参考。(2)仿真研究了分层缺陷的存在对lamb波传播的影响,通过位移云图对比发现了lamb波在分层处的分离过程,分层区域上部分能量聚集明显形成驻波;以仿真和试验相结合的方式研究了损伤回波的形成及其与分层长度的关系,结果显示A0波对分层损伤更加敏感,损伤回波主要在分层退出端发生反射且反射系数随着分层长度的增加而先增大后下降并呈振动的趋势。(3)仿真分析了损伤信号中高次谐波和次谐波的产生原因,通过数字滤波和HHT时频变换发现了透射二次谐波(2f)与直达波到达时间的差异性并分析了原因;提取了分层上下面节点的位移曲线从结构刚度和节点运动相位这两方面对碰撞过程进行详细分析;针对信号激励幅值、分层长度和所处深度这三个关键因素研究了它们对lamb波非线性特征的影响并作出相应解释。(4)介绍了小波包变换相关理论,引入基于小波包能量谱的损伤判定指标;结合基于损伤存在概率的成像算法(RAPID)提出了一种对CFRP-钢胶接板的分层损伤进行检测定位的方法;对比了仿真和试验结果并对试验精度较低的原因进行了分析,给出了优化试验效果的相关建议。