摘要

航空结构中的板形构件，特别是厚度小于6mm的薄板件，因其在成形过程中可能引入的缺陷（如裂纹、分层、夹杂、孔形缺陷等），对使用安全构成威胁。为有效检测这些缺陷，本文介绍了一种基于LAMB波与3D扫描式激光测振仪的无损探伤检测方法。该方法通过局部增加结构的面内和面外振动，实现了对航空结构的高效、准确检测，并避免了LAMB波在激励、传播、接收及信号处理方面的复杂性研究。

1. 引言

随着复合材料在航空领域的广泛应用，其非均质性和各向异性导致的缺陷问题日益凸显。这些缺陷不仅影响复合材料的性能，还可能引发疲劳破坏事故。因此，对复合材料的无损检测提出了更高要求。LAMB波作为超声波无损检测中的一种导波形式，具有快捷、高效的特点，非常适合于大面积无损检测。然而，LAMB波的应用也面临一些挑战，如需要大量的致动器/传感器、复杂的数据解读以及受环境因素影响等。

2. LAMB波无损探伤检测原理

LAMB波是超声波在板状结构中传播时形成的一种导波，具有纵波和横波的特性。与常规超声的逐点扫查不同，LAMB波检测一次可以扫查一条线，且收发探头可置于试件的同一侧，便于操作。然而，LAMB波在激励、传播、接收及信号处理方面的复杂性限制了其在工业生产中的广泛应用。

3. 3D扫描式激光测振仪的应用

为克服LAMB波无损探伤检测技术的难题，本文引入了3D扫描式激光测振仪。该仪器通过非接触式多点扫描，能够准确测量结构表面的振动矢量，包括面内分量和面外分量。使用3D扫描式激光测振仪进行LAMB波无损探伤检测的步骤如下：

1. 信号激励：通过信号发生器产生电激励信号，并通过换能器底部压电晶片的逆压电效应将电激励信号转化为超声波信号。

2. 信号传播：超声波信号通过耦合剂进入被测薄板中，由于薄板自由边界的约束，此时在板中传播的就是LAMB波。

3. 信号接收：使用3D扫描式激光测振仪接收LAMB波信号，并在被测表面上布置高密度测量网格，获取每个测量点的振动矢量。

4. 数据处理：通过Polytec的PSV软件显示LAMB波的面内振动和面外振动，并以生动的3D动画形式呈现出来。通过比较不同频率下的振动幅值，可以定量检测出结构损伤的位置、大小及其严重程度。

4. 实验案例

为验证该方法的可行性，本文进行了两个实验案例：

案例一：金属结构的疲劳裂纹检测

实验对象：一块带有疲劳裂纹的金属薄板。

实验过程：使用3D扫描式激光测振仪对金属薄板进行扫描，分别获取75Hz和352Hz频率下的面内振动和面外振动数据。

实验结果：在75Hz时，面内振动幅值在裂纹处明显增加；在352Hz时，面外振动幅值在裂纹处出现衰减。通过对比不同频率下的振动幅值，可以准确检测出裂纹的位置和长度。

案例二：复合材料的冲击破坏检测

实验对象：一块受冲击破坏的复合材料板。

实验过程：使用3D扫描式激光测振仪对复合材料板进行扫描，获取面内振动和面外振动数据。

实验结果：在受冲击区域，面内振动幅值明显增加，且面外振动幅值出现衰减。通过对比不同区域的振动幅值，可以准确检测出冲击破坏的位置和分层面积。

5. 结论

本文介绍了一种基于LAMB波与3D扫描式激光测振仪的无损探伤检测方法，该方法通过局部增加结构的面内和面外振动，实现了对航空结构的高效、准确检测。实验结果表明，该方法能够定量检测出结构损伤的位置、大小及其严重程度，且不受环境因素影响，直接、快速、可靠。该方法为航空结构的无损探伤检测提供了一种新的解决方案，具有广泛的应用前景。