基于零群速度Lamb模式衰减的变厚度粘合板中的脱粘检测

《Composite Structures》：Disbonds detection in variable-thickness bonded plates based on attenuation of zero group velocity Lamb modes

变厚度粘接板脱粘检测方法基于ZGV Lamb波衰减特性，通过SAFE方法分析厚度变化与脱粘对ZGV模式的影响，提出信号衰减和衰减率作为损伤指标，实验验证了两种ZGV模式（EP-4和EP-6）在平行和垂直厚度变化方向的有效检测能力，成像结果与实际脱粘区域一致。

　　

Xiewen Liu|Wujun Zhu|Yanxun Xiang|Fu-Zhen Xuan

上海工业大学机械与动力工程学院智能传感与检测技术重点实验室，中国上海200237

摘要

在粘合连接的金属板材中，脱粘现象频繁发生，其检测对于这类部件的质量和安全性至关重要。零群速度（ZGV）共振频率对不同厚度粘合板材（VTBPs）的脱粘检测具有很高的敏感性，这使得传统的基于频率的检测方法无法适用。为了解决这个问题，本文提出了一种基于ZGV Lamb模式衰减的脱粘检测方法。通过半解析有限元（SAFE）方法的理论分析，系统研究了厚度变化和脱粘对两种ZGV模式色散特性的影响。在实验中，利用信号衰减和衰减率作为损伤指标，通过两种ZGV模式检测VTBPs中的脱粘情况。这两种损伤指标能够有效地评估与厚度变化平行的和垂直方向的脱粘区域，成像结果与VTBPs中的实际脱粘区域一致。本研究有助于加深对变厚度结构中ZGV模式行为的理解，并为ZGV Lamb模式在复杂粘合结构定量评估中的应用提供了参考。

引言

复合材料因其优异的比强度和设计灵活性而在航空航天结构中得到广泛应用[1]、[2]。特别是粘合连接的板材是一类值得关注的复合材料，它们结合了良好的机械性能和低重量。然而，这类复合材料容易受到包括脱粘、粘接强度不足在内的各种缺陷的影响，从而可能危及结构完整性。检测这些缺陷对于确保粘合连接板材的质量和安全运行至关重要[3]、[4]。

由于超声波导波对缺陷具有高灵敏度和快速检测能力，已被广泛用于无损评估和结构健康监测[5]、[6]。最近的研究表明，导波适用于检测诸如粘合接头[7]、[8]、[9]、管道[10]、焊接接头[11]和轨道[12]等复杂结构。在用于此类检测的各种Lamb模式中，色散曲线上的零群速度（ZGV）点受到了越来越多的关注。ZGV Lamb模式的特点是具有非零波数和零群速度[13]，因此这些波不会从源点传播出去，而是在激发点周围形成局部共振[14]。

ZGV Lamb模式的一个显著特点是它们的共振频率对厚度变化具有很强的敏感性[15]、[16]、[17]、[18]。利用这一特性，Grünsteidl[19]和Prada[20]分别利用ZGV模式来确定单层和多层板材的厚度。通过分析ZGV共振的频率和波数，测量了钨板[21]和铝板[22]的局部厚度。

由于ZGV模式的非传播特性，可以规避几何复杂结构中的复杂波传播现象[23]、[24]、[25]。除了简单的板材[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]之外，ZGV模式还在包括粘合板材[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、轨道[38]、[39]、[40]、焊接接头[41]和蜂窝结构[42]在内的复杂结构中得到了进一步研究。对于粘合板材，目前仅有关于平面均匀板材使用ZGV模式进行脱粘检测的报道。据我们所知，使用ZGV模式检测变厚度粘合板材（VTBPs）的案例非常少。

与平面均匀板材不同，ZGV共振频率的高厚度敏感性给VTBPs的可靠脱粘检测带来了很大挑战。为了解决这个问题，我们提出了一种基于ZGV Lamb模式信号衰减的VTBPs脱粘检测方法。

本文的结构如下：第2节使用半解析有限元（SAFE）方法计算并展示了VTBP的色散曲线，并分析了厚度变化和脱粘对ZGV Lamb模式的影响。然后提出将信号衰减和衰减率作为VTBPs脱粘评估的损伤指标。第3节介绍了实验装置。第4节详细讨论了使用两种不同ZGV模式的脱粘检测方法。最后，第5节得出了结论。

节选内容

色散曲线计算

为了研究厚度变化和脱粘对ZGV Lamb模式色散特性的影响，我们考虑了一个包含两层金属层和一层粘合层的VTBP，如图1(a)所示。一层铝合金（Al层，h₁ = 1 mm – 4 mm）和另一层Al板材（Al层，h₃ = 1 mm）通过环氧树脂层（粘合层，h₂ = 0.2 mm）粘合在一起。脱粘以薄特氟龙膜的形式存在（脱粘层，h₂

实验装置和样品制备

在实验中，ZGV模式的激发方法并不简单。虽然可以使用激光来激发和接收ZGV信号以进行损伤检测[33]、[34]、[35]、[36]，但其低能量特性使其不适合基于衰减的脱粘检测。相反，直接回波方法使用双工器和换能器容易实现，可以生成和接收ZGV模式。因此，本工作中采用了直接回波方法。

使用ZGV模式EP-6进行脱粘检测

图7展示了在厚度比r为10和15时，模式EP-6的接收时域信号及其对应的时间-频率谱。信号清楚地显示了ZGV Lamb模式的特征性共振特征，以及明显的颤动，这证实了模式EP-6的强共振。

通过对在r为10、12.5和15时接收的50 μs时域信号进行FFT处理，得到了图8(a)中的频域信号，这些信号显示出明显的

结论

本文提出了一种基于ZGV模式衰减的VTBPs脱粘检测方法。使用SAFE方法对VTBPs中的ZGV模式进行了理论分析，揭示了厚度变化和脱粘对两种ZGV Lamb模式（EP-4和EP-6）频率的影响。厚度比r的增加导致模式EP-6的频率大幅降低，而模式EP-4的频率变化较小。

作者贡献声明

Xiewen Liu：撰写 – 原始草稿、验证、软件开发、研究、正式分析、数据整理。Wujun Zhu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。Yanxun Xiang：资源获取。Fu-Zhen Xuan：资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12327807 和 12004114）以及上海科技创新行动计划基础研究计划（项目编号：24TS1412200）的资助。