基于空气耦合兰姆波的CMC分层缺陷超声无损检测仿真方法

《Acoustics》：The Simulation Method for Ultrasonic Non-Destructive Testing of Delamination Defects in CMC Based on Air-Coupled Lamb Waves

　　

陶瓷基复合材料（CMC）因其耐高温、轻质等优势广泛应用于航空航天领域。检测这些材料内部的缺陷对于确保相应结构的安全至关重要。在本文中，研究人员为超声无损检测建立了层状结构的CMC有限元模型。基于计算机断层扫描（CT）图像和材料孔隙率，构建了随机分布孔隙模型以研究孔隙对超声信号的影响。在仿真中也引入了随机孔隙以确保模型尽可能接近真实情况。此外，验证了利用空气耦合超声激励产生特定频率兰姆波（Lamb wave）的可行性。分析了孔隙存在对信号传播的影响，并研究了不同位置和长度的分层结构对信号传播的影响。结果表明，使用本文所述方法可以激励出指定频率的兰姆波，孔隙和分层缺陷的存在会影响兰姆波在CMC中的传播，其中信号衰减可达7.6 dB。

**论文解读：基于空气耦合兰姆波的CMC分层缺陷超声无损检测仿真方法**

**研究背景与问题**
陶瓷基复合材料（CMC）因其耐高温、高比强度、抗氧化等优异性能，广泛应用于航空航天领域（如发动机喷嘴、热防护系统）。然而，CMC在制造过程中易产生孔隙、裂纹、界面分层等缺陷，这些缺陷不仅降低了材料初始性能，还可能在使用中引发严重安全问题。传统的超声检测方法通常需要耦合剂或水浸，但CMC表面质量差、多孔性导致耦合剂难以清理，限制了其应用。相比之下，空气耦合超声检测无需接触，适用于这类材料。同时，兰姆波（Lamb wave）作为导波，能够在薄板中一次性覆盖大面积区域，避免了体波在厚度方向多次反射造成的盲区。然而，现有针对CMC的数值仿真多基于理想化模型，忽略了材料本身孔隙对检测结果的影响，导致仿真对实际应用的指导不足。为解决这一问题，研究人员开展了本研究。

**研究内容与结论**
研究人员建立了含随机孔隙的CMC层状结构有限元模型，基于色散曲线设计了空气耦合A₀模兰姆波的激励方案。通过仿真验证了该模型能够成功激励出目标兰姆波，并分析了孔隙及不同位置、长度分层缺陷对信号传播的影响。结论表明：孔隙的存在会导致信号衰减和群速度降低；分层缺陷长度越大、位置越靠近板中心，信号衰减越显著，衰减值最高可达7.6 dB。该研究验证了空气耦合兰姆波检测CMC中分层缺陷的可行性和灵敏度，为实际无损检测提供了数值基础。论文发表在《Acoustics》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用COMSOL Multiphysics建立二维有限元模型。基于实验测量（材料密度2100 kg/m³）和CT扫描图像（孔隙率23%，孔径0.05–0.2 mm），构建随机分布孔隙模型（形状随机选自方形、圆形或椭圆形）。根据Snell定律及Dispersion Calculator 3.0软件绘制的色散曲线，确定以11.61°入射角激励100 kHz的A₀模兰姆波。在空气域中设置发射和接收探头，并引入完美匹配层（PML）吸收杂散反射波。网格尺寸为波长的1/10，并在孔隙附近自适应细化（最小约0.002 mm）。信号后处理采用梯形积分、去趋势函数及卷积自相关处理以突出缺陷特征。

**研究结果**

**4.1 孔隙对导波传播的影响**
通过对比无孔隙和有孔隙（孔隙率23%）的CMC板模型，研究人员发现：无孔隙时兰姆波应力场规则、连续且高度周期性；有孔隙时由于声阻抗失配，信号发生多散射和模式转换，应力分布紊乱。时域信号显示，有孔隙时峰值幅度下降，且信号到达时间延迟（群速度由理论值2.569 m/ms降至2.395 m/ms）。采用10种不同随机孔隙模型进行仿真，结果表明：最大幅度均值2.533（标准差0.1341），到达时间均值2.607×10^-4 s（标准差6.377×10^-7 s），波动较小，说明给定孔隙率下孔隙分布对信号影响一致。

**4.2 分层缺陷长度对空气耦合导波传播的影响**
在模型中引入宽度0.2 mm、长度分别为6 mm、8 mm和10 mm的分层缺陷。传播至缺陷附近时，应力场减弱，信号幅度显著下降；缺陷越长，衰减越明显。研究人员采用梯形积分、去趋势和卷积自相关处理信号，使缺陷信号更易识别。计算信号衰减值β，结果显示衰减值与缺陷长度呈线性关系：6 mm缺陷衰减约1.8 dB，8 mm约2.8 dB，10 mm约3.6 dB（处理前）；处理后衰减值增大（至约2.8、4.2、5.4 dB）。表明该方法对缺陷长度具有高灵敏度。

**4.3 分层缺陷位置对空气耦合导波传播的影响**
研究人员设置长度为8 mm、宽度0.2 mm的分层缺陷，分别位于距板表面1.4 mm和2.6 mm（对称位置）。仿真发现：对称位置产生的时域波形在包络到达时间和幅度上高度一致，验证了缺陷对称性对信号影响的等效性。进一步将缺陷置于距板下表面3.2 mm、2.6 mm和2.0 mm处（厚度方向深度增大）。结果发现：缺陷越靠近板表面（即距下表面越远），接收信号幅度越大；当缺陷位于距表面3.2 mm（最接近板中心）时衰减最明显。这是因为缺陷将板分割为两部分，靠近表面时较厚部分接近完整板厚度，激励条件与原始条件更相似，影响较小；越靠近中心则改变愈大，信号衰减愈显著。

**讨论与结论**
研究人员通过数值模拟验证了利用空气耦合兰姆波检测含孔隙CMC中分层缺陷的可行性。建立的有限元模型成功激励出A₀模兰姆波，并首次系统考虑了随机孔隙对信号的影响。结果表明：孔隙导致信号衰减；分层缺陷长度越大、位置越靠近板中心，衰减越显著。信号处理方法（梯形积分、去趋势、卷积自相关）能有效增强缺陷特征。研究为空气耦合超声检测CMC分层缺陷提供了理论基础和仿真依据，有助于指导实际检测中的探头布置和信号分析。
**翻译研究结论部分：**
本研究通过数值模拟研究了使用兰姆波对含孔隙多层复合材料板中分层缺陷进行无损检测。建立了0°和90°交叉层压的CMC结构，在板内模拟随机孔隙，并基于相应的色散曲线建立了A₀模兰姆波的激励模型。计算了接收信号的群速度，证实通过本文建立的有限元模型成功激励出A₀模兰姆波。分析了孔隙率对兰姆波传播的影响，结果表明孔隙的存在会导致信号衰减。比较分析了不同位置和长度的分层结构对兰姆波的影响，结果表明随着分层缺陷长度的增加以及缺陷位置接近板中心，兰姆波的衰减更加明显。验证了利用空气耦合兰姆波检测复合材料板中分层缺陷的可行性和灵敏度，为实际应用中层压复合材料板的无损检测提供了基础。