基于临界折射纵波的碳纤维复合材料应力检测方法的研究

doi:10.3901/JME.260036

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (2): 48-60.doi: 10.3901/JME.260036

• 仪器科学与技术 • 上一篇

扫码分享

基于临界折射纵波的碳纤维复合材料应力检测方法的研究

潘勤学, 赵广源, 于昊申, 徐佳褀

北京理工大学机械与车辆学院北京 100081

收稿日期:2024-12-16 修回日期:2025-07-06 发布日期:2026-03-02
作者简介:潘勤学，男， 1981 年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为超声无损检测技术，残余应力检测与表征，疲劳微裂纹量化检测。E-mail： panqx@bit.edu.cn;赵广源，男， 2001 年出生，硕士。主要研究方向为超声无损检测技术，残余应力检测。E-mail： 1494803656@qq.com;于昊申，男， 1999 年出生，硕士。主要研究方向为超声应力检测与可靠性分析。E-mail： haosenla@dingtalk.com;徐佳褀，男， 1999 年出生，硕士。主要研究方向为超声信号处理。E-mail： xjqbit@163.com
基金资助:
国家重点研发计划资助项目(2022YFB3403901)。

Research on Stress Detection Method of Carbon Fiber Composites Based on Critical Refraction Longitudinal Wave

PAN Qinxue, ZHAO Guangyuan, YU Haoshen, XU Jiaqi

School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081

Received:2024-12-16 Revised:2025-07-06 Published:2026-03-02

摘要/Abstract

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)在国防、民生等领域大量应用，已成为国家高质量发展进程不可或缺的组分，高效准确地检测和评估复合材料结构的服役状态对于生产安全至关重要。超声无损检测具有快速、准确等优点，被广泛应用于应力检测。通过研究临界折射纵波(Critically refracted longitudinal，LCR)在正交各向异性材料内部的传播规律，基于等效刚度矩阵建立CFRP应力检测模型，对各向异性材料平面应力系数标定的检测方法进行理论推导。通过有限元方法对CFRP材料的声速、声场指向性、LCR激发角度与渗透深度之间的关系等方面进行分析、模拟、试验，实现了应力的定量表征。以T700碳纤维复合材料为研究对象，搭建超声应力检测系统，进行CFRP中LCR波传播特性试验和应力诱导超声检测试验，与有限元仿真结果一致。利用单轴拉伸预应力加载试验对超声应力系数进行标定和验证，得到超声应力系数最大偏差不超过5%，研究结果为复合材料的结构应力检测提供了有效支撑。

关键词: 碳纤维复合材料, 临界折射纵波, 渗透深度, 应力检测, 应力系数

Abstract: Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) has been widely applied in defense, civil life and other fields, and has become an indispensable component in the process of high-quality national development. Efficient and accurate detection and evaluation of the service status of composite material structures are crucial for production safety. Ultrasonic non-destructive testing, with its advantages of rapidity and accuracy, is widely used in stress detection. By studying the propagation law of critically refracted longitudinal waves (LCR) in orthotropic materials and establishing a CFRP stress detection model based on the equivalent stiffness matrix, the theoretical derivation of the detection method for calibrating the plane stress coefficient of anisotropic materials is carried out. Through finite element analysis, the relationship between the sound velocity, sound field directivity, LCR excitation angle and penetration depth of CFRP materials is analyzed, simulated and tested, achieving quantitative characterization of stress. Taking T700 carbon fiber composite materials as the research object, an ultrasonic stress detection system is built to conduct LCR wave propagation characteristic tests and stress-induced ultrasonic detection tests in CFRP, which are consistent with the finite element simulation results. The ultrasonic stress coefficient is calibrated and verified by uniaxial tensile prestress loading tests, with the maximum deviation of the ultrasonic stress coefficient not exceeding 5%. The research results provide effective support for the structural stress detection of composite materials.

Key words: carbon fiber composites, critically refracted longitudinal wave, penetration depth, stress detection, stress coefficient

中图分类号:

TB551

潘勤学, 赵广源, 于昊申, 徐佳褀. 基于临界折射纵波的碳纤维复合材料应力检测方法的研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(2): 48-60.

PAN Qinxue, ZHAO Guangyuan, YU Haoshen, XU Jiaqi. Research on Stress Detection Method of Carbon Fiber Composites Based on Critical Refraction Longitudinal Wave[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(2): 48-60.

参考文献

[1] 王海雷，段跃新，王维维，等. 玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料的拉伸及低速冲击性能研究[J]. 复合材料科学与工程， 2021， 2： 102-109. WANG Hailei， DUAN Yuexin， WANG Weiwei， et al. Study on tensile and low velocity impact performance of glass and carbon fibers hybrid composites[J]. Composites Science and Engineering， 2021， 2： 102-109.
[2] HUA Xin， ZHANG Chunhua， WEI Jinda， et al. Wind turbine bionic blade design and performance analysis[J]. Journal of Visual Communication and Image Representation， 2019， 60： 258-265.
[3] LIU Hongye， LIU Shen， CHEN Xin， et al. Coupled lamb waves propagation along the direction of non-principal symmetry axes in pre-stressed anisotropic composite lamina[J]. Wave Motion， 2020， 97： 102591.
[4] 张涵寓，宋周洲，刘钊，等. 碳纤维复合材料与铝合金胶铆混合连接力学性能可靠性研究[J]. 机械工程学报， 2023， 59(24)： 334-343. ZHANG Hanyu， SONG Zhouzhou， LIU Zhao， et al. Research on reliability of mechanical properties of carbon fiber reinforced plastics and aluminum alloy hybrid joints[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59(24)： 334-343.
[5] 石文泽，邵纬桑，卢超，等. 高温铝合金仅线圈式电磁超声检测方法研究[J]. 机械工程学报， 2025， 61(6)： 79-91. SHI Wenze， SHAO Weisang， LU Chao， et al. Study on coil-only electromagnetic ultrasonic testing method for high-temperature aluminum alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2025， 61(6)： 79-91.
[6] HUGHES D S ， KELLY J L. Second-order elastic deformation of solids[J]. Phys. Rev.， 1953， 92(5)： 1145-1149.
[7] SONG Wentao， XU Chunguang， PAN Qinxue， et al. Nondestructive testing and characterization of residual stress field using an ultrasonic method[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2016， 29(2)： 365-371.
[8] WILLIAM H P. Stress dependence of ultrasonic velocity in unidirectional graphite/epoxy composites for longitudinal waves propagating along the direction of stress[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 1990， 9： 1701-1707.
[9] 王伟，邓亚，张宇民，等. 基于临界折射纵波法的CFRP应力检测[J]. 宇航材料工艺， 2018， 4： 67-70. WANG Wei， DENG Ya， ZHANG Yumin， et al. Stress measurement in CFRP composites using critically refracted longitudinal waves[J]. Aerospace Materials and Technology， 2018， 4： 67-70.
[10] WANG Wei， ZHANG Yumin， ZHOU Yufeng， et al. Plane stress measurement of orthotropic materials using critically refracted longitudinal waves[J]. Ultrasonics， 2019， 94(17)： 430-437.
[11] DOS SANTOS A A， AMBIEL L B， GARCIA R H， et al. Stress analysis in carbon/epoxy composites using LCR waves[J]. Journal of Composite Materials， 2014， 48(27)： 3425-3434.
[12] 朱其猛. 临界折射纵波(LCR)应力测试修正方法与机理研究[D]. 成都：西南交通大学， 2017. ZHU Qimeng. Research on correction methods and mechanisms of longitudinal critical wave refraction(LCR) stress measuring technology[D]. Chengdu ： Southwest Jiaotong University， 2017.
[13] ZOU Zhouyiao， HAO Yanpeng， ZHENG Yao， et al. Subsurface stress measurement in GIS epoxy composite by using LCR waves[J]. Energies， 2020， 13(14)： 3725.
[14] PAN Qinxue， YU Haoshen. Simulation and experiment of ultrasonic critically refracted longitudinal wave penetration depth of carbon fiber composite[C] // Guangxi University of Science and Technology. Beijing Institute of Technology. 2022 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA)， August 7-10， 2022， Guilin， Guangxi， China. Beijing： IEEE Robotics and Automation Society， 2022： 1561-1567.
[15] LUO Zhongbing， ZHANG Song， CAO Huanqing， et al. Numerical modeling of ultrasonic wave propagation in CFRP radii[C] // 2019 International Congress on Ultrasonics， Bruges， Belgium， 2020， 38： 045031.
[16] ALLWRIGHT D. From Snell's law to Fermat's principle[J]. Journal of Sound and Vibration， 2022， 536： 117101.
[17] 沈观林，胡更开. 复合材料力学[M]. 北京：清华大学出版社， 2006. SHEN Guanlin， HU Gengkai. Mechanics of composite materials[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2006.

基于临界折射纵波的碳纤维复合材料应力检测方法的研究

Research on Stress Detection Method of Carbon Fiber Composites Based on Critical Refraction Longitudinal Wave

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]	葛佳, 傅国宇, 邹云鹤, 罗明. 碳纤维增强树脂基复合材料特种加工综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 77-97.
[2]	程军, 朱煜龙, 汪步云, 梁艺, 许德章, 刘蒙蒙, 刘有余. 基于改进迁移学习的CFRP缺陷涡流检测与识别[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 53-65.
[3]	沈亮量, 肖娟, 徐剑, 蹇锡高, 林剑峰, 任志英. 热输入对CF/PPS复合材料感应焊接的影响：多物理场耦合的焊接工艺窗口[J]. 机械工程学报, 2025, 61(18): 76-85.
[4]	王新玉, 刘天瑞, 吕昕泽, 汪干生, 岳健广. 3D打印连续碳纤维复合材料拉伸力学性能试验研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 396-405.
[5]	王帅帅, 段振景, 刘吉宇, 李育恒, 王梓恒, 周瑜阳, 刘新, 宋金龙, 孙晶. 冷等离子体耦合微量润滑微铣削CFRP加工性能与机理研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 338-350.
[6]	余海燕, 贺宏伟, 邢萍. 考虑不同刚度退化模式的碳纤维增强复合材料失效模型开发[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 197-208.
[7]	张涵寓, 宋周洲, 刘钊, 朱平. 碳纤维复合材料与铝合金胶铆混合连接力学性能可靠性研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(24): 334-343.
[8]	程军, 游勇, 汪步云, 许德章, 余成, 杨继全. 基于空频去混叠的CFRP材料纤维纹路涡流成像[J]. 机械工程学报, 2022, 58(4): 14-21.
[9]	程军, 徐帅, 汪步云, 许德章, 杨继全, 裘进浩. 一种自调零平切型电涡流探头及其在碳纤维复合材料细观成像中的应用[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 27-35.
[10]	许灿, 朱平, 刘钊. 平纹机织碳纤维复合材料多尺度随机力学性能层次敏感性[J]. 机械工程学报, 2021, 57(14): 213-222.
[11]	安华, 王喆, 王国锋, 宋庆月, 刘峰, 钟才川. 复合材料钻削表面粗糙度在线监测与加工参数自适应优化[J]. 机械工程学报, 2020, 56(2): 27-34,42.
[12]	王福吉, 王东, 殷俊伟, 杨帆, 赵猛, 王泽刚. CFRP复合材料铣削表层损伤形成机制分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(13): 195-204.
[13]	吴英思, 刘飞, 吴斌, 何存富, 杜文亮. 基于水平剪切波声弹特性的矩形管轴向应力检测方法与试验研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(10): 27-33.
[14]	庄蔚敏, 王楠, 吴迪, 武世杰, 敖文宏, 刘西洋. 碳纤维复合材料层合板三点弯曲损伤仿真研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(10): 109-114.
[15]	王福吉, 殷俊伟, 贾振元, 马建伟, 徐震宇, 王东. CFRP复合材料铣削力、温度及表层损伤分析[J]. 机械工程学报, 2018, 54(3): 186-195.