超声Lamb波在发动机壳体无损检测中的应用研究

　　1　引言

　　固体导弹发动机壳体结构属于多层层状胶结结构,钢层基体下表面粘接了非金属材料(绝热层等),工艺上要求粘接材料之间不允许有脱粘,否则将严重影响材料的整体性能,造成导弹飞行失败。通常这种结构形式的无损检测方法主要有超声检测、X射线检测及X射线CT检测、声发射(AE)检测、全息照相检测等。对于钢质壳体发动机这种多层层状结构,由于钢壳体的高声阻抗性,以及橡胶体绝热层的厚度薄、衰减性极强的原因,常规超声检测方法存在相当大的困难。本文分析了兰姆波在钢板中传播的一些特性,应用兰姆波在不同厚度板及不同激发频率下产生不同的传播模式,对各种传播模式的波结构进行了分析,选择出对层间脱粘缺陷有较好敏感性的模式,进行了试验验证,试验结果表明这种检测技术对发动机层间胶结结构缺陷检测是有效的。

　　2　检测原理

　　2.1　兰姆波的激励

　　兰姆波是材料内纵波和横波在界面上相互耦合的结果,当板内纵波向前传播时在板轴方向上的波数与横波在同轴方向上的波数相等时,板中纵波与横波相互作用会形成共振,因而产生兰姆波。选择不同兰姆波模式可以通过探头入射角的改变来实现。为了获得比较强的波,可以通过使入射波的振动频率与板中的振动频率相一致来实现,即产生共振。如图1所示,当板中兰姆波相速度的一个波长B与斜楔中纵波的一个波长A相对应时,板的振动就刚好与透声楔中纵波的振动合拍,此时:

　　式中　cl—透声楔中纵波速度

　　cp—板波相速度

　　αi—纵波入射角

　　结合式(1),并由钢相速度频散曲线解可以求出图2(水晶玻璃/钢板)波入射角与波型、频率、板厚的关系图。

　　2.2　兰姆波模式的选择

　　为了提高检测灵敏度,要选取合适的兰姆波模式和频率,选择那些能量高又不易发生频散现象且能量分布状况较好的模式。

　　2.2.1　波结构分析

　　根据超声波传播原理,声波能量是通过声媒介质点的振动而表现并传播的。由机械振动能量计算公式E=0.5KX2max可知,质点振动的能量与质点位移幅值的平方成正比。能量高的兰姆波可以在板的边界产生较强的回波信号,同时兰姆波在板中各部位的能量分布状况决定其对各位置上缺陷的检出能力。参考文献[2]指出“兰姆波质点振动的水平、垂直位移幅值的计算上可以较直观地分析和认识兰姆波能量在板中的变化分布情况”,因此要有效检测层状结构层间脱粘缺陷,选择那些边界位移幅度相对较大的兰姆波模式是合理的。通过求解在不同频厚积情况下不同模式的兰姆波波结构(如图3),可以清楚地发现不同模式兰姆波在不同频厚积条件下的位移形态都是完全不同的,而A0模式面内位移和离面位移在边界上都较大,因此,从能量角度来看,选择A0模式检测发动机壳体钢/绝热层层间胶结结构中的脱粘缺陷可得到最佳检测灵敏度。