激光超声技术在复合材料检测中的应用*

（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016）

复合材料在航空领域中的广泛应用是科学技术不断发展的必然趋势。与传统的金属结构相比，复合材料结构的比强度和比刚度更高，同时兼备耐磨损、抗腐蚀等优点，具有极强的可设计性，满足航空领域对结构苛刻性能的追求。许多研究表明，将先进复合材料大量应用于飞行器之中，不仅能够实现结构显著减重，而且可以提高飞行器的机动及隐身性能。例如，美国NASA的Langley研究中心在《航空航天用先进复合材料发展报告》中指出，复合材料机翼机身和气动剪裁技术能够获得亚音速运输机24.3%的减重效果[1]。复合材料吸波结构在不明显增加结构重量的前提下具有吸波和承载双重功能，是先进航空装备实现高隐身不可或缺的关键材料[2]。然而，由于加工工艺原因，复合材料本身具有非常明显的分散性，且材料内部的微结构形式和非线性特征复杂，导致其强度、破坏形式及使用寿命难以预测[3]。因此，开展针对复合材料的原位、快速、高效的损伤检测和性能评估方法的研究可以提高航空结构安全性，促进复合材料结构的应用[4]。

在众多无损检测方法中，激光超声技术随着激光激励技术的日益发展得到了越来越多的关注。与常规的水浸式超声检测利用压电换能器激励结构中的超声波不同，激光超声技术采用激光照射产生的热弹效应激励结构中的超声波，其特点在于激励方式是远距离、非接触的，且通过偏转反射镜的角度进行光路的控制就能够实现大范围的扫描[5-6]。目前，在结构内部损伤评估[7]、材料表面缺陷识别[8]等方面，激光超声技术都进行了很好的试验验证。特别是针对具有复杂曲面的结构（如管壁结构、钻头、风机桨叶以及涡轮叶片等），该方法也有很好的检测效果[9-11]。随着硬件系统的进一步集成与发展，激光超声技术的应用已得到初步的工程验证。西班牙先进航空技术中心利用激光超声检测系统对复合材料机翼前缘进行了激光纵波的检测方法验证，实现了该方法在复合材料中的孔隙率检测[12]。韩国全北国立大学根据激光激励出的Lamb波，对复合材料机翼结构进行了扫查，初步实现了结构冲击损伤的定位[13]。此外，洛克希德·马丁公司采用激光超声检测技术对F-22的复合材料进气道进行了无损检测方法的验证[14]。本文以南京航空航天大学开展的激光超声技术研究为基础，针对复合材料应用中存在的安全评估问题，介绍了激光超声技术在复合材料损伤成像、力学参数识别以及疲劳特性评估3方面的应用。

激光超声技术原理

激光超声技术采用高能激光脉冲照射结构表面产生热应力区激发出超声波。根据超声波传导形式不同，该技术可分为纵波与Lamb波两种形式。其中，利用纵波的激光超声检测与传统的超声C扫检测类似。根据沿厚度方向传播的纵波回波或透射情况对结构进行损伤识别[15]；而利用Lamb波的激光超声检测则是采用扫描激励或扫描传感的方式获取结构中待测区域的Lamb波传播数据，通过分析Lamb波的传播特征参数实现结构损伤、材料参数等方面的识别，综合评估结构的安全性能[16]。

以扫描激励式的激光超声技术为例，Lamb波传播数据测量的原理如图1所示，高能激光脉冲在结构的待测区域内激励Lamb波，同时在固定位置采用激光多普勒测振仪或声发射传感器获取Lamb波响应信号。基于声学互易原理，获得的Lamb波信号可以认为是在检测区域内布置传感器获取固定点激励的Lamb波信号。当激励点进行扫描并采集信号时，这个过程可以等效为在检测区域内密布了传感器阵列同时获取固定位置激励的Lamb波，从而形成波场数据。提取波场数据中任意时刻t的数据，则可获得该时刻下 Lamb 波的波场强度图。沿着时间轴逐次抽取相应时刻的波场强度图并以动态视频的形式表现就可以将 Lamb 波的传播过程可视化。

图1 激光超声技术的Lamb波传播可视化原理Fig.1 Lamb wave visualization priniciple by using laser ultrasonic technique

表1 激光超声检测系统参数

图2 碳纤维复合材料中Lamb波的传播Fig.2 Lamb wave propagation in CFRP plate

表1给出了南京航空航天大学搭建的激光超声检测系统参数。其中，单个激光脉冲的能量在0～55mJ之间可调。在实际应用过程中，为了避免激光对结构产生烧蚀损伤，特别是在复合材料结构的检测过程中，激光脉冲的能量应控制在 10mJ以内。激光器的重复频率最高可达1kHz，即每秒可获取最多1000个Lamb响应信号。增加激光的重复频率可以减少扫描时间，提高检测效率，但当重复频率过高时，前一次激励所产生的Lamb波还未完全衰减，从而影响采集的信号。二维扫描装置的偏转角度范围为±24°，扫描精度为0.008°，根据几何光学中的反射定律可知，系统在距离待测结构10m范围以内都可以保持毫米级的扫描精度。本文的试验中，检测距离均小于10m，可以保证试验所需的1mm的扫描精度。检测所使用的声发射传感器体积小、质量轻，其频带范围为（20～500）kHz，满 足 Lamb 波 检测的需求。本文涉及的试验均采用该系统进行结构中Lamb波传播数据的测量。图2给出了不同时刻下Lamb波在碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）中的传播结果。试件中心包含有10J的冲击损伤，当Lamb波经过冲击损伤后，波场产生了异常区域。通过逐个时间点观察波场的方式可以判断出损伤出现的大致位置[17]。

复合材料的损伤成像技术

层合板结构是目前应用最为广泛的复合材料结构形式之一，通过改变铺层的方向和顺序，层合板能够在不改变单层板材料的情况下，设计出满足工程上不同需求的结构。然而，由于这类结构的层间强度不足，结构对垂直于表面的冲击载荷作用具有较低的抗性，易出现基体开裂、层间分层和纤维断裂等多种形式组合的损伤[18]。通常，在高能量和中等能量的冲击下，如飞机高速飞行时遇到的撞击、涡轮叶片工作时异物的碰撞等，这类冲击会直接穿透结构或在冲击位置背面产生大量的纤维断裂，穿透区域附近伴随着大面积的分层。因此，这类冲击损伤容易引起检测人员的注意。但是，低能量冲击，如飞机地面维护时的碰撞、飞机起降时受到的冰雹撞击等，所引起的基体开裂和分层等损伤通常发生在结构的内部[19]。这种“目视勉强可见冲击损伤”（Barely Visible Impact Damage，BVID）难以在日常的飞机维护中被发现。许多研究表明，BVID会降低复合材料结构的抗拉能力，而对于压缩载荷的作用，这类损伤产生的影响更加严重[20]。由此可见，对复合材料中低能冲击损伤的检测是保证结构安全性能的关键。

为了从复杂的Lamb波波场数据中提取特征参数进行损伤的定位与识别，许多信号处理方法相继提出和应用。首先，利用激光超声检测系统对复合材料板以矩形路线进行扫描，扫描点的间距为1mm，扫描范围为100mm×100mm，激光能量为8mJ，采样率为10MHz。将采集的信号按图2的方式处理，即可获得Lamb 波的波场数据。根据激光超声技术所获取的波场数据对Lamb波的传播过程进行重演，通过观察损伤位置处Lamb波发生的反射和衍射现象对损伤进行定位是最为简单的一种方法[21]。然而，损伤引起的Lamb波传播异常现象较弱，损伤的特征容易被忽略，从而导致损伤难以发现。为了将损伤产生的异常Lamb波信号增强，采用波数-频率域分析方法可以提取原始波场数据中的损伤反射波。在弱化了入射波信号的波场中，损伤位置的分辨率显著提升[22]。类似的，采用相邻位置上获取的 Lamb 波信号作比较可以弱化波场中的入射信号，同样提高了损伤附近异常 Lamb 波的信号强度[23]。但是，上述方法的共同缺点在于需要人为观察逐个时间点的波场图像，并且无法对损伤的形状进行有效的定量评估。针对这个问题，提取邻位Lamb波差信号的峰值，并选择合适的阈值进行过滤，能够将检测区域的异常位置显现出来[13]。此外，根据测量数据计算得到整个扫描区域的波场能量分布也是一种损伤成像的有效方法[24]。通过波场能量图中异常能量的分布能够对结构损伤形状进行初步的成像。更进一步地，干涉波能量提取的损伤检测方法结合了波数-频率域分析手段，消除了健康区域中的 Lamb 波能量，提高了损伤识别的分辨率[16]。

在此基础上，入射波异常信号能量提取算法通过计算入射波异常信号的能量分布图实现了对CFRP层合板的冲击损伤成像[17]。入射波异常信号能量Eaiw的定义为：

式中，N为采样时间点数，aiw（i, x, y）为位置（x, y）处在i时刻的入射波异常信号，即为相邻测量位置获取的入射波信号差值：

式中，iw为通过波数-频率域分析后获得的入射波，Δd为Lamb波传播Δx距离所经历的时间延时。试验研究的CFRP层合板的铺层形式为 [45°/-45°/0°/90°]s，冲击能量为10J。图3（a）给出了冲击损伤的超声C扫描结果。如图3（b）所示，入射波异常信号能量图能够识别损伤的形状和面积。

图3 复合材料冲击损伤成像Fig.3 Impact damage image in the composite structure

复合材料的刚度系数识别技术

随着使用时间的增加，复合材料内部的疲劳损伤不断积累，导致其力学性能逐渐衰退。因此，对复合材料力学参数的识别不仅能够辅助复合材料结构的设计，而且能够为识别结构的安全和可靠性能提供依据。目前，常用的复合材料刚度系数识别方法如拉伸试验、剪切试验等都难以用于复合材料结构现场、无损的测量评估。采用获取Lamb波传播波场数据的方式，通过分析Lamb波传播相速度与材料刚度系数之间的关系，反推材料刚度系数矩阵可作为无损测量复合材料力学参数的有效方法。由于该方法在完备重构复合材料刚度参数研究中的巨大潜力，一种单激励-多响应的传感器阵列被用于检测复合材料板中不同方向传播的Lamb波相速度，并面向结构健康监测，旨在实现正交各向异性材料9个刚度系数的在线重构[25]。其试验测量的速度值为特定群速度角度下传播的群速度值，而在利用遗传算法进行速度反演重构材料参数时，其正问题理论针对的为相速度值，二者研究对象的差异导致重构结果不可靠。采用激光测振仪获取复合材料板中较宽频带内的Lamb波相速度频散曲线，并将有限元方法作为正问题求解工具，实现了横贯各向同性复合材料5个刚度系数的测量，但其测量结果与材料真实值仍具有一定的差异。

在此基础上，一种基于激光超声技术的复合材料刚度系数识别技术实现了复合材料板9个刚度系数的重构，其原理如图4所示[26]。

图4 逆问题求解的流程图Fig.4 Flow chart of the inversion methodology

首先采用六自由度新型三阶板理论方法（Third-order Shear Deformation Theory，ToSDT）求解复合材料板结构中Lamb波的相速度频散曲线[27]；其次采用激光超声技术在极坐标扫描方式下获取结构中Lamb波的传播数据，如图5所示，为正交碳纤维层合板中的Lamb波在20μs时刻下的传播情况，通过对应峰值的移动速度可以求得任意角度下的Lamb波相速度值。为了提高重构刚度系数的效率和精度，研究了Lamb波传播参数与各个刚度系数之间的灵敏度关系，如表2所示，给出了在正交碳纤维层合板重构过程中所需要的Lamb波相速度信息情况。重构方案只基于0°、45°、90° 3个灵敏度最高的传播方向进行计算，大大降低了将多个传播方向上信息代入重构过程的复杂性。试验中为了获得0°、45°、90° 3个方向上的波速，在碳纤维层合板中沿0°、45°、90°方向各扫描150mm长的直线，扫描间隔为1mm，激光能量为8mJ，采样率为 10MHz。最后，定义归一化相速度误差函数作为遗传算法的优化目标函数err：

式中，C表示待评估的刚度系数矩阵（含有9个独立刚度系数分量）；θ为群速度传播角度；M为所用到的不同频率下的相速度值个数；ViE表示在第i个频率下Lamb波试验测量得到的相速度值，该值不随C变化而变化；ViT表示在第i个频率下Lamb波在刚度系数为C时的相速度理论计算值。经过不断地迭代和更新，最终优化的C作为最小目标函数对应的解，为重构出的复合材料刚度系数值，如表3所示。图6（a）给出了3个典型方向上的相速度理论和试验值，图6（b）以10°为间隔显示了0°～90°范围内的Lamb波试验与理论相速度值。结果表明了仅用3个特征方向的Lamb波信号进行刚度系数的重构，在简化计算过程的同时，确保了重构结果的准确性。

表2 正交碳纤维层合板重构所需角度和模态信息

表3 正交碳纤维层合板重构结果

复合材料的疲劳特性评估技术

复合材料在承受疲劳载荷作用时，结构会产生基体裂纹、界面脱胶、层间分层和纤维断裂4种基本的破坏形式。与金属材料易产生一条控制整个结构疲劳性能的主裂纹不同，这4种基本破坏形式相互作用并以一定的密度分布在复合材料内部。当复合材料到达疲劳寿命后期，随着损伤密度的增加，材料内部的应力将重新分配，在应力集中程度严重的区域纤维加速断裂，最终导致突然破坏[3]。结构破坏前，采用传统的无损检测方法难以对微观的基本破坏形式进行评估。然而，复合材料的疲劳损伤积累会导致其力学属性，如刚度、阻尼等变化，进而影响Lamb波的传播特性。通过激光超声技术获取复合材料结构不同区域位置的Lamb波传播特性，能够对结构局部材料属性进行评估，从而达到结构全寿命健康状态评估的目的。

以玻璃纤维层合板结构为例，其铺层形式为[0°/90°3/0°/90°3]s。在试验过程中选取了最大拉伸强度32.4%的载荷水平进行了疲劳特性的研究。试验系统主要分为激光超声系统和疲劳拉伸试验机两部分，如图7所示。用于分析的Lamb波传播数据采用距离-时间图的形式：激光源扫描一条延长线经过声发射传感器的路径，扫描间隔为1mm，激光能量为8mJ，采样率为10MHz。采集激光源扫描该路线上所有测点时传感器接收到的时域信号，即可绘制距离-时间B扫结果，如图8所示，为经过209568次周期载荷后的Lamb波传播图像。

图5 正交层合板中的Lamb波传播Fig.5 Lamb wave propagation in cross-ply plate

图6 刚度系数的重构结果Fig.6 Results of stiffness reconstruction

图7 激光超声技术在疲劳试验中的应用Fig.7 Laser ultrasonic technique for the fatigue test

图8 Lamb波的时间-距离传播图像Fig.8 Time-space diagrams of Lamb wave

图9 归一化的Lamb波传播参数与疲劳周期数间的关系Fig.9 Relation between normalized parameters of Lamb wave propagation and fatigue load cycles

研究表明，Lamb波特征参数（Lamb波相速度和Lamb波模态能量分布情况）能够反映复合材料疲劳加载的周期变化。图9分别给出了3个归一化后的参数与疲劳周期之间的关系，其中归一化的刚度（NStiffness）通过试验中引伸计数据获取；归一化的相速度值（NVelocity）利用距离-时间B扫结果中首个峰值的传播速度计算得到；而归一化的模态能量分布比采用二维傅里叶变换的手段从B扫结果中分离出两种不同模态的能量，即图8中不同斜率的Lamb波分量，表示不同传播速度的Lamb波。定义归一化模态能量分布比（NModeConvert）为模态1与模态2能量的比。随着疲劳周期数的增加，3个特征参数都出现了明显下降，且变化趋势类似。其中归一化的模态比值变化最为明显。在实际应用过程中，材料的刚度测量非常困难，因此根据Lamb波非接触式的测量，计算相速度和模态频响特性能够实现对结构疲劳寿命的估计。

图10 复合材料疲劳特性评估结果Fig.10 Results of fatigue property evaluation in the composite

在研究了Lamb波传播特征参数与复合材料疲劳之间关系的基础之上，一种刚度-波速衰减理论模型实现了复合材料疲劳损伤的预测。该模型以纤维断裂、基体裂纹和分层引起的刚度衰减为依据，导出了近似的剪滞模型，避免了预测过程中需要测量复合材料裂纹密度的问题。试验通过测量复合材料中Lamb波的相速度能够完成疲劳累积损伤的综合评估。图10给出了铺层为[45°/0°/-45°/90°]2s的玻璃纤维复合材料在最大拉伸强度的55%载荷水平下的疲劳评估结果。图10（a）为试验测得的Lamb波相速度与模型预测的相速度衰减情况对比，图10（b）为基于模型预测的疲劳损伤密度曲线。

结束语

针对复合材料结构在安全和可靠性评估中所面临的问题，激光超声技术提供了一种远距离、非接触式测量结构中Lamb波传播数据的新方法。通过对复合材料结构中Lamb波传播特征的提取，该方法能够实现复合材料损伤成像、复合材料刚度系数识别、复合材料疲劳特性评估3个方面的材料无损评价。目前，该技术的研究已经取得了理论上的突破，在试验验证中也取得了不错的进展。然而，针对实际航空复合材料结构的检测，特别是现场、原位的结构检测，激光超声技术仍需要解决一系列的问题：（1） 研究激光超声系统的集成与优化，进一步提高现场测量的信噪比，促进该技术从实验室走向工程应用；（2）研究具有更加复杂结构形式的复合材料连接件中Lamb波的传播特性，进一步拓展激光超声技术的应用范围；（3）基于激光超声检测技术的检测结果，如复合材料的损伤信息和疲劳状况，研究复合材料结构剩余寿命的预测等。随着更多研究者的关注和大量高新技术应用于激光超声技术中，其检测效果、功能一定能够进一步提升，必将成为未来航空领域无损检测中不可或缺的新成员。

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