lamb波理論及層合板沖擊損傷的實驗研究

1、第 1 9 卷 第 2期 2 0 0 4年 6 月實 驗 力 學 J 0INA I ． O FⅨ P E R I M 『 TA IMt ~H A N I C Svo 1 ．1 9N o ．2J u n ． 2 0 0 4文 章縮號 ： l 0 0 1 — 4 8 8 8 ( 2 0 0 4 ) 0 2 — 0 2 1 卜O 6L a m b 波理論及層合板沖擊損傷 的實驗研究。周 晚林h， 王鑫偉( 1 ． 南京航空航 天大學 智 能材

2、料 與結構 航空科技重 點實驗室 ， 南 京 2 1 0 0 1 6 ； 2 ． 鹽城 工學院 ， 江蘇 2 2 4 0 0 3 )摘要 ： 從 理論 上分析 了板 中 I 量 m b波信 號的傳播 特性 ， 并 給 出 L a m b波在板 中傳播 的頻散 方程 。理論分析及 實驗 均表 明， L am b波的頻散特性與復合材料結構損 傷有著直接的聯(lián) 系， 而且最低階 的對稱和反對稱 L am b波模態(tài)對層合板的損傷 比較敏 感， 但

3、應 用 L a m b 波的頻散效應監(jiān) 測結構的損傷在檢 測技術上還難 以實現(xiàn) 。 根據(jù)板 中導波形成 L am b波的共振原理 ， 板 中應力波的幅頻特性 很 大程度上反 映了 L a m b 波的諧振特征 。 因此， 利用壓電元件的壓 電阻抗譜分析應力波的各階模 態(tài)頻率及振 幅對結構損傷的變化 ， 能夠反映材料 內部損傷與 L amb 波的頻散特性。 文 中針對表面粘貼壓電元件 的層合板智能結構 ， 建立了包含 L am b 波諧振

4、模式的壓電阻抗計算模型 。 沖擊損 傷試件的 實驗表 明， 由于結構損傷的 出現(xiàn)壓 電阻抗譜 中的模 態(tài)頻率及其 阻抗幅值等特征信息將發(fā) 生變化。 因此， 引入應力波損傷因子可 以對結構沖擊損傷 的存在和程度進行初 步評價。 該方法基 于結構的機 一電動 態(tài)阻抗特性 ， 不受結構 的幾何 形狀 限制 ， 測試 用的壓 電元件 成本低 ， 方法簡單 可行， 有望在 智能結構 的健康診 斷方面獲得應用。關鍵詞 ： L am b 波 ； 壓電

5、阻抗 ； 沖擊損傷 ； 損傷因子 ； 健康診 斷中圖分類號 ： 0 3 2 7 ； 1 1 J 3 1 2 ； T G 1 1 5文獻標識碼 ： A1引言 由于低 能量 沖擊對復合材料層合板造成的脫層損傷沒有明顯 的表觀現(xiàn)象， 具有突發(fā)性 和災難性失 效 的潛在能力。因此 ， 對具有這種典型損傷的結構進行主動健康監(jiān)測是十分必要的 。而傳統(tǒng) 的超聲 C掃， 紅外成像 ， C I “ 等方法不能實現(xiàn)主動在線檢測 。于是 ， V a r y等

6、n ] 提 出采用應力波傳播 的相對效率來評 估復合材料的性能。T a n g 和 H e n n e k e 等[ 2 ] 采用聲超聲方法在特定條件下產(chǎn)生并檢測 L a m b波 ， 發(fā)現(xiàn)最低 階對稱和反對稱 L am b 波對層合板損傷的頻散特性 ， 但 由于 L am b 波的頻散 曲線對于損傷的靈敏度與其 傳播方向相關 以及實際結構的復雜性 ， 一般難 以通過 L am b 的頻散特性來檢測結構的損傷。實際上 ， 要 產(chǎn)生并 檢

7、測 出符合嚴格定義[ 3 ] 的 L am b 波模態(tài)是很難 的。在 目前的研究 中一般把在異性板 中傳播的應 力 波看成是 L am b 波 ， 這一點還有待研究 。 E m m a n u e lM o u l i n [ 4 3 等利用埋入式驅動器 和一種可移動式楔形 壓電傳感器產(chǎn)生 L am b 波并基于電阻抗識別 L am b 波的諧 振模 態(tài)， 與有限元的計算結果 比較一致 。由于 L am b 波具有縱波和橫波的共振特性，

8、 直接探討應力波壓 電阻抗 的諧振特性是監(jiān)測結構損傷的一條重要 途徑。因此 ， 本文針對表面粘貼式壓 電智能結構， 基 于應力波傳播時壓電阻抗諧振模態(tài)特征的變化來評 價結構損傷的存在和程度 ， 并通過 對沖擊損傷試件壓 電阻抗 的測試和分析驗證 了該方法的可行性 。2 板中 L a m b 波信號分析 通常將板置于空氣或真空中， 如圖 1 所示 ，、 X 2 坐標在板的中面上 ， X 3 與中面垂直 。板 內的縱波 · 收稿

9、日期 ： 2 0 0 3 — 0 2 一 l 2 } 修 訂 日期 ： 2 0 0 3 — 1 2 — 2 9基金 項 目： 國家 自然科 學基 金( 1 0 0 7 2 0 2 6 、 5 0 1 3 5 0 3 0 ) 和航 空科學 基金( 0 1 G 5 2 0 4 1 ) 項 目資助 作者簡介 ： 周 晚林 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 副教授 ， 現(xiàn)為南京航 空航天大學 博士 ， 研究方 向為智能材料 自診斷結 構及應

10、用 。維普資訊 http://www.cqvip.com 第 2 期 周晚林等 ： L a m b 波理論 及層合板 沖擊損傷 的實驗研究 2 1 3一 ． s【△一zJ( 8 )式 中，為 P Z T兩端 點 n ， b 的速度差 ， ∞為結構的角頻率 ，是施 加在 P Z T上 的電場 ，和 分別是 P Z T的楊 氏模量和壓 電常數(shù) ， 常數(shù) 一 I D ／， I D 是板的材料密度 。 梁結構彎曲振動等效旋轉結構機械阻 抗

11、為 2一 M／ ( O ( x ~ 6 一 ( 五 。 ) )一 M／ ( 6 C o 6 — 0 ( 4 。 ) )( 9 )式 中， 彎矩 —(+) ；( 五) ，() 分別是兩端點 b 和 a 上的轉角， 與梁的軸 向位移關系為 △‘ 一 (+ ) ( O ( aD — O ( a。 ) )( 1 0 )從式 ( 8 ) 、 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 可得到 P Z T端點 的速度差 與阻抗的關 系為 一％Ⅲ其 中 z 一一

12、2 ／ (+)，一' ／ i c o t a n ( M p ) 。根據(jù)電流與 P Z T電位移 場以及電場與電壓的關 系， P Z T的電阻抗 為) = [(一z( 1 2 )式 中第一項包含 了 P Z T以及結構 的機械阻抗 ； 第二項是 P Z T的電容導納。 當 P Z T的參數(shù)及性能恒定 ， z唯一地確定了第一項的值 。因此 ， 電阻抗 的任何改變顯示 了結構 中物理變化對它的貢獻 ， 并可通過對機 械阻抗 的變化反

13、映出來 。對于一般 的壓電智能結構 ， 可采用有 限元模型計算激勵頻率下的位移場和電阻抗 ， 其控制方程為 [瑚 一 []L[][]_ JlJL —_ J～式 中，， 聲 ，，分別是節(jié)點的位移 ， 電勢 ， 節(jié)點力和電荷向量 。[ K ，[ K ，i - K ~ , - I 是電彈性剛度矩陣 ，[是質量矩陣。假設電極上 的電勢相 同且為 ， 參考 電極接地 ， 則上式可寫成 [ [明船 @ o J 一 [ 一]L[ 瓦][， ]_

14、JL —／J式 中，是流經(jīng)結構 的電流 ； “ 一” 是修飾符 ， 表示在集聚靜電作用下的對應參數(shù) 。解上式得到電阻抗 J R ( ∞ )一 I ／ ~ o 一一(一 瓦 [ [ 瓦 一[ 明 ] I 1 瓦 )( 1 5 )4 層合板沖擊損傷監(jiān)測實驗 4 ． 1沖 擊試 樣 的應 力 波 測試 考慮到碳纖維復合 材料構件 在飛機結構 中的應用情 況， 并保證試 樣的一致性 ， 選 用尺寸 為 4 4 0 ×5 0 0 m

15、 m 的 T - 3 0 0 碳纖維復合材料層壓板制作梁試件 。梁試件共 3 類 ， 每類各 6 件 ， 尺寸均 為 9 0 ×4 4 0 ×2 ． 4 8 m m， 實驗值取各類試件的平均值 。其 中 1 類試件作為無損試件 ， 在 2 類試件上用不同沖擊能量在 同一位置制作 沖擊損傷 ， 在 3 類試件上用等級沖擊能量在不 同位置制作 沖擊損傷。利用超聲 C掃技術 對沖擊脫層損傷進行探測。圖 3 是 2 #類試件

16、沖擊能量為 6 ． 1 6 J 和 1 2 ． 2 J 時超聲 C掃描的損傷圖。( a ) 單 處脫層 ( b )多處脫層 圖3 沖擊試件損傷超聲 C掃圖像 F i g ． 3U l t r o s o n i cCs c a ni m a g e so ft h ei m p a c td a Ⅱ 1 a g = e dl a m i l a t e dp l a t ~( a )t h es i ned e l a m i n a