金属-有机材料层合结构的脱粘损伤识别方法

doi:10.3901/JME.2025.02.024

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (2): 24-35.doi: 10.3901/JME.2025.02.024

• 仪器科学与技术 • 上一篇

扫码分享

金属-有机材料层合结构的脱粘损伤识别方法

张超, 王宏远, 季宏丽, 朱丽晨, 裘进浩

南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京 210016

收稿日期:2024-01-03 修回日期:2024-07-21 发布日期:2025-02-26
作者简介:张超，男，1988年出生，副教授。主要研究方向为激光超声无损检测与结构监测技术。E-mail：zc0619@nuaa.edu.cn;裘进浩(通信作者)，男，1963年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为智能材料与结构、无损检测技术与结构监测技术。E-mail：qiu@nuaa.edu.cn
基金资助:
江苏省自然科学基金(BK20220133)、国家自然科学基金(52175141，52235003，51921003)和中国航空科学基金(2023Z061052001)资助项目。

Debonding Damage Identification Method for Metal-Organic Material Laminated Structure

ZHANG Chao, WANG Hongyuan, JI Hongli, ZHU Lichen, QIU Jinhao

State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016

Received:2024-01-03 Revised:2024-07-21 Published:2025-02-26

摘要/Abstract

摘要： 金属-有机材料层合结构不仅兼顾了金属优越的力学性能，同时具有有机材料的功能性、复杂外形和轻质。然而，两种材料的胶接质量直接决定了结构的安全和可靠性能，因此急需一种可靠的无损检测手段对胶接产生的脱粘损伤进行评估。提出了一种基于频带选择的脱粘损伤成像方法，采用激光超声的测量方式，实现了金属-有机材料层合结构的脱粘损伤成像。首先通过试验研究，发现了金属-有机材料层合结构中，不同频率的导波信号对脱粘损伤的灵敏度差异；其次，提出一种基于波场数据分析的频带选取方法，利用选取频率下导波信号在脱粘及健康区域的能量分布变化，对不同金属-有机材料层合结构中的不同脱粘损伤进行了成像。结果表明，所提出的检测方法在损伤成像分辨率上得到了显著提升。

关键词: 脱粘损伤, 无损检测, 激光超声, 层合结构

Abstract: Metal-organic material laminated structure not only has the excellent mechanical properties, but also shows the functional integration, complex shapes and lightweight. Since the bonding quality determines the safety and reliability of the structure, an effective non-destructive testing method is urgently required to evaluate the debonding damage in the laminated structure. A debonding damage imaging method based on frequency band selection is presented. By using the laser ultrasonic technique, the proposed method can identify the debonding damage in metal-organic material laminate structures. Firstly, through the experimental study, it can be found that the guided wave signals with different frequencies have different sensitivity to the debonding damage in metal-organic material laminated structure. Then, an adaptive guided wave frequency selection algorithm is developed. By extracting the difference between the guided wave energy distribution in the debonding and healthy areas, the different debonding damages in the laminated structure with different metal-organic materials can be identified. The results show that the proposed detection method has significantly improved the resolution of damage imaging.

Key words: debonding damage, non-destructive testing, laser ultrasonic, laminated structure

中图分类号:

TG115

张超, 王宏远, 季宏丽, 朱丽晨, 裘进浩. 金属-有机材料层合结构的脱粘损伤识别方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 24-35.

ZHANG Chao, WANG Hongyuan, JI Hongli, ZHU Lichen, QIU Jinhao. Debonding Damage Identification Method for Metal-Organic Material Laminated Structure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(2): 24-35.

参考文献

[1] HORIUCHI S, TERASAKI N, ITABASHI M. Evaluation of the properties of plastic-metal interfaces directly bonded via injection molding[J]. Manufacturing Review, 2020, 7(11)：1-9.
[2] BANEA M, ROSIOARA M, CARBAS R, et al. Multi-material adhesive joints for automotive industry[J]. Composites Part B, 2018, 151：71-77.
[3] WEISS M, DINGLE M, ROLFE B, et al. The influence of temperature on the forming behavior of metal/polymer laminates in sheet metal forming[J]. Transactions of the ASME, 2007, 129：530-537.
[4] 胡玉平. 金属/金属与复合材料粘接质量超声检测[D]. 南昌：南昌航空大学, 2017. HU Yuping. Ultrasonic testing of bonding quality of metal and metal/metal and composite materials[D]. Nanchang：Nanchang Hangkong University, 2017.
[5] 凡丽梅, 王从科, 郑杰, 等. 薄壁金属与非金属环形粘接件粘接质量超声检测方法研究[J]. 测试技术学报, 2014, 28(6)：489-493. FAN Limei, WANG Congke, ZHENG Jie, et al. Study on ultrasonic detection method of thin-walled metal and non-metal annular adhesive specimen adhesive quality[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2014, 28(6)：489-493.
[6] 李剑, 刘松平. 钢/橡胶胶接结构脱粘缺陷Lamb波检测的模式选择[J]. 航空制造技术, 2009(5)：78-81. LI Jian, LIU Songping. Mode selection for disbonding in steel/rubber adhesive bonding structure by using Lamb wave[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(5)：78-81.
[7] SHANG Y, WANG X, LI P, et al. Debonding defect detection of metal and composite bonding structures[C]// IOP Conference Series：Materials Science and Engineering, 2017, 207：012026.
[8] LIU T, PEI C, CHENG X, et al. Adhesive debonding inspection with a small EMAT in resonant mode[J]. NDT & E International, 2018, 98：110-116.
[9] 周正干, 孙广开, 李征, 等. 激光超声检测技术在复合材料检测中的应用[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2012, 17(6)：119-122. ZHOU Zhenggan, SUN Guangkai, LI Zheng, et al. Application of laser ultrasonic testing technique on the detection of composite structures[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2012, 17(6)：119-122.
[10] 吴郁程, 裘进浩, 张超, 等. 一种损伤反射波波场可视化的改进方法[J]. 中国激光, 2014, 41(3)：155-162. WU Yucheng, QIU Jinhao, ZHANG Chao, et al. A method to improve the visibility of the damage-reflected wave[J]. Journal of Lasers, 2014, 41(3)：155-162.
[11] 张超, 季宏丽, 裘进浩, 等. 激光超声检测中干涉特征提取算法的研究[J]. 光学学报, 2014, 34(7)：158-166. ZHANG Chao, JI Hongli, QIU Jinhao, et al. Research on interference energy calculation method in laser excitation[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(7)：158-166.
[12] 裘进浩, 张超, 季宏丽, 等. 基于激光激励技术的结构损伤成像[J]. 振动.测试与诊断, 2014, 34(4)：603-609, 772. QIU Jinhao, ZHANG Chao, JI Hongli, et al. Damage imaging for plate structures based on laser excitation[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2014, 34(4)：603-609, 772.
[13] 胡婷萍, 高丽敏, 杨海楠. 激光超声技术在航空复合材料无损检测中的应用[J]. 航空制造技术, 2018, 61(19)：50-57. HU Tingping, GAO Limin, YANG Hainan. Application of laser ultrasonic nondestructive testing technology in aeronautical composite structures[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2018, 61(19)：50-57.
[14] 裘进浩, 张超, 季宏丽, 等. 面向航空复合材料结构的激光超声无损检测技术[J]. 航空制造技术, 2020, 63(19)：14-23. QIU Jinhao, ZHANG Chao, JI Hongli, et al. Laser ultrasonic non-destructive testing technology for aviation composite material structure[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2020, 63(19)：14-23.
[15] 吴郁程. 基于激光超声技术的结构损伤检测方法研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2014. WU Yucheng. Damage detection technology based on laser ultrasonic[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014.
[16] 张超. 基于激光技术的振动和超声检测方法研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2016. ZHANG Chao. Research on laser technique based vibration and ultrasonic testing[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016.
[17] LEE J R, CHEN C C, SHIN H J, et al. Laser ultrasonic propagation imaging method in the frequency domain based on wavelet transformation[J]. Optics & Lasers in Engineering, 2011, 49(1)：167-175.
[18] 朱倩. 基于激光超声技术的层合结构无损检测方法研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2016. ZHU Qian. Non-destructive testing research based on laser ultrasonic technique for laminated structure[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and. Astronautics, 2016.
[19] 李鹤, 张超, 季宏丽, 等. 基于导波检测的带曲率复合材料板损伤识别技术研究[J]. 国外电子测量技术, 2019, 38(5)：75-80. LI He, ZHANG Chao, JI Hongli, et al. Damage identification technology of composite plate with curvature based on guided wave detection[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2019, 38(5)：75-80.

金属-有机材料层合结构的脱粘损伤识别方法

Debonding Damage Identification Method for Metal-Organic Material Laminated Structure

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	胡朋, 赵瑞祥, 杨淑言, 段志荣, 解社娟, 陈振茂, 郑阳. 一种基于电磁-声复合检测方法的分时策略研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 1-10.
[2]	李继成, 陈广俊, 许金凯, 于化东. C/SiC复合材料激光超声复合微切削材料损伤机理与表面质量研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 189-205.
[3]	梁鹏, 赵文卓, 武通海, 冉毅. 发电机转子小齿裂纹的超声回波特性及在机检测方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 11-21.
[4]	涂洪铭, 伍剑波, 柯瑞, 夏慧, 陈笑天, MACIEJ Roskosz. 激励参数对Q235钢增量磁导率蝶形图的影响研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 27-35.
[5]	何赟泽, 李响, 王洪金, 侯岳骏, 张帆, 牟欣颖, 刘浩, 程豪, 李时华, 李杰. 基于可见光和热成像的风机叶片全周期无损检测综述[J]. 机械工程学报, 2023, 59(6): 32-45.
[6]	沈功田, 金灿华, 张君娇, 胡斌, 刘渊, 王强. 无损云检测技术研究及仪器系统开发[J]. 机械工程学报, 2023, 59(4): 1-9.
[7]	朵文博, 李宏伟, 李帅兵, 杨栋, 卢保朋, 康永强, 曹炳磊. 基于太赫兹成像的层状复合绝缘结构内部分层缺陷SSA-CNN定量表征^*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 63-72.
[8]	沙经伟, 范孟豹, 曹丙花, 杨雪锋. 金属构件硬度的无损检测研究进展与展望[J]. 机械工程学报, 2023, 59(24): 1-17.
[9]	孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 刘林. 基于时频关键信息融合的热障涂层太赫兹准确测厚方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(14): 10-22.
[10]	陈国龙, 曹政, 张帅帅, 靳伍银. 基于科赫差测量平面涡流传感器的裂纹检测性能研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 17-29.
[11]	王俊, 周正干, 王进, 刘雨生. 基于线阵和环阵换能器的CFRP层压板超声成像特性研究分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 30-39.
[12]	黄松岭, 孙洪宇, 王珅, 赵伟, 彭丽莎. 压水堆核电站无损检测与状态监测研究综述[J]. 机械工程学报, 2022, 58(4): 1-13.
[13]	李伟, 邵鑫宇, 张伯莹, 袁新安, 殷晓康, 杨伟超. 交流电磁场和电磁超声复合无损检测技术研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(16): 153-159.
[14]	邓堡元, 何赟泽, 王洪金, 张宏, 杨渊, 马敏敏, 牟欣颖, 杨瑞珍. 光伏电池图像序列的深度学习检测方法[J]. 机械工程学报, 2021, 57(8): 98-106.
[15]	孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 叶波, 刘林. 基于几何纹理与Anscombe变换的蜂窝材料太赫兹图像降噪模型[J]. 机械工程学报, 2021, 57(22): 96-105.