一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法

本发明属于复合材料无损检测领域，尤其涉及一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法。

背景技术：

1、碳纤维增强复合材料由于具备高的比强度和比模量，在航空航天领域和一些轻量化工程应用中发挥着重要的作用。由于复合材料结构本身的性质以及复杂的服役环境，对其进行定期的检测是十分有必要的。目前针对复合材料无损检测手段主要包括超声波法，声发射法以及计算机断层扫描法。其中超声波因其具有方向性好、穿透能力强、能量高等优异特点，被广泛用于复合材料无损检测领域。

2、lamb波是指当激励波波长与波导厚度处于同一数量级时，由横波和纵波耦合成的一种特殊形式的应力波，属于一种特殊的超声导波。lamb波传播速度快、距离远、对损伤敏感等特性使其在板壳类结构的无损检测中具有独特的优势。lamb波的传播特性与波导结构的弹性特性和微观结构密切相关。故可以通过提取和分析lamb波所包含的信息，实现对波导的结构特性以及材料性能进行预测和评价。目前利用lamb波进行复合材料无损检测的研究工作中大多以定性的判读为主，即预测检测范围内是否出现损伤，或者进一步利用阈值等方法预测损伤程度。目前的检测方法缺少定量化的检测结果，不能为后续结构承载能力、寿命等预测提供有效的信息。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，通过研究lamb波波速与局部模量、激发频率及试样厚度之间的关系，来构建模量反演公式，利用所得公式实现通过波速预测结构局部模量的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，包括：

3、构建复合材料局部损伤等效模量反演的初始经验公式；

4、通过lamb波超声导波实验，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及损伤状态的接收波，构建第一关系模型，其中，所述第一关系模型为损伤状态、频率，复合材料层合板厚度与波速之间的关系模型；

5、基于所述第一关系模型和所述初始经验公式，构建经验公式函数关系样式，并获取经验公式中的常数项；

6、根据所述经验公式函数关系样式和所述常数项，获取复合材料局部损伤等效模量反演模型；

7、利用所述复合材料局部损伤等效模量反演模型对被测结构的局部损伤等效模量进行反演，对所述被测结构的局部损伤等效模量进行预测。

8、可选的，还包括：

9、对不同裂纹长度的复合材料层合板进行拉伸试验，获取裂纹长度与损伤后等效模量关系；

10、根据所述裂纹长度与损伤后等效模量之间的关系对所述复合材料局部损伤等效模量反演模型进行验证。

11、可选的，构建复合材料局部损伤等效模量反演的初始经验公式包括：

12、根据lamb波在复合材料层合板传播时反对称模态的波速公式，构建所述初始经验公式；

13、所述初始经验公式为：

14、e′＝b(c,f,d)，

15、其中，e'为损伤后等效模量，c为lamb波波速，f、d分别为激发频率和波导厚度。

16、可选的，通过lamb波超声导波实验，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及局部模量状态的接收波包括：

17、在所述不同厚度复合材料层合板上通过制造裂纹的方式改变复合材料层合板局部等效模量；

18、分别对不同厚度、不同局部模量的复合材料层合板依次进行不同激励频率的所述lamb波超声导波实验，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及局部模量状态的接收波。

19、可选的，构建所述第一关系模型包括：

20、根据激发端与接收端之间的距离、激发波和所述接收波，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及局部模量状态的波速；

21、根据所述局部模量、频率，复合材料层合板厚度与所述波速之间的关系，构建所述第一关系模型。

22、可选的，构建所述经验公式函数关系样式的方法为：

23、

24、其中，e为初始模量，e'为损伤后等效模量，ρ、μi分别为材料的密度和泊松比，f、d分别为激发频率和波导厚度，c为lamb波波速，为关于频率f的函数，为关于厚度d的函数。

25、可选的，获取复合材料局部损伤等效模量反演模型包括：

26、基于所述经验公式函数关系样式，分析拟合出关于频率的函数和关于厚度的函数；

27、基于所述关于频率的函数、所述关于厚度的函数，获取以所述波速、所述激励频率、所述复合材料层合板厚度为自变量，所述局部损伤等效模量为因变量的函数关系式；

28、将所述函数关系式进行转换，获取所述复合材料局部损伤等效模量反演模型。

29、可选的，获取所述复合材料局部损伤等效模量反演模型的方法为：

30、

31、其中，a为频散特征底数，b为频散特征指数。i为厚度-损伤耦合对非频散波速的影响系数，j为损伤对非频散波速影响系数，m为厚度对非频散波速的影响系数，n为本征非频散波速，d为波导厚度，l为有效宽度，e为初始模量，e'为局部损伤等效模量，f为激发频率，c为lamb波波速。

32、本发明技术效果：

33、本发明公开的一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，在不同激励频率下进行了lamb波导波实验，根据实验结果分析并总结了结构局部等效模量变化对lamb波速的影响规律、频率变化对lamb波速的影响规律、不同波导厚度对lamb波速的影响规律；基于此在任意材料体系下，通过以上实验方法获得预测公式中各参数后，可在改变厚度激励频率的情况下直接快速的预测局部损伤后的等效模量，无需进行重复的实验测试，大大节省了检测成本与时间。

34、本发明公开的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，根据局部等效模量、激励频率及波导厚度对lamb波波速影响规律的总结分析，构建了以波速、激励频率、波导厚度为自变量，局部等效模量为因变量的函数关系式。该公式可应用于实际工程问题，当已知检测目标的基本材料参数(ρ、μ)、激励频率及厚度时，可根据测得的lamb波波速结合该公式反演被测结构的局部等效模量。

技术特征：

1.一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，还包括：

3.如权利要求1所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，构建复合材料局部损伤等效模量反演的初始经验公式包括：

4.如权利要求1所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，通过lamb波超声导波实验，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及局部损伤状态的接收波包括：

5.如权利要求1所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，构建所述第一关系模型包括：

6.如权利要求5所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，构建所述经验公式函数关系样式的方法为：

7.如权利要求1所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，获取复合材料局部损伤等效模量反演模型包括：

8.如权利要求7所述的复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，其特征在于，获取所述复合材料局部损伤等效模量反演模型的方法为：

技术总结
本发明公开了一种复合材料板壳类结构局部损伤等效模量反演方法，包括：构建复合材料局部损伤等效模量反演的初始经验公式；通过Lamb波超声导波实验，获取不同厚度复合材料层合板在不同激励频率及损伤状态的接收波，构建第一关系模型；基于所述第一关系模型和所述初始经验公式，构建经验公式函数关系样式，并获取经验公式中的常数项；根据所述经验公式函数关系样式和所述常数项，获取复合材料局部损伤等效模量反演模型；利用所述复合材料局部损伤等效模量反演模型对被测结构的局部损伤等效模量进行反演。本发明构建局部损伤等效模量反演模型，利用所得模型实现通过波速预测结构局部损伤等效模量的目的。

技术研发人员：艾士刚,李秋波,胡森,杨朔
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8