粘接结构温度疲劳损伤的非线性超声检测与评价

Adhesive joints are widely used in industries such as aerospace engineering. Damage caused by the environmental thermal cycling will lead to the safety problem during operation for the adhesive joints. This project will conduct nonlinear ultrasonic testing and evaluation of damage for adhesive joints under environmental thermal cycling. By investigating the local micro disbonds of the adhesive interface between the adhesive layer and adherend structure, and the nonlinear mechanical behavior induced by environmental thermal cycling, process and mechanism for ultrasonic waves propagating in the adhesive joints will be studied; and the interaction effect between the ultrasonic wave and adhesive interface will be obtained. The relation between the acoustic parameters and the damage state will thus be established. Furthermore, with experimental researches based on nonlinear ultrasonic bulk waves and guided waves (Lamb waves), the relation between the acoustic parameters and thermal cycling process will also be fully interrogated. Based on the relation between the thermal cycling process, acoustic parameters and the damage of adhesive joints obtained theoretically and experimentally, the ultimate goal of this project is to get the theoretical details and application techniques for nonlinear ultrasonic waves used to evaluate the damage of adhesive joints under environmental thermal cycling non-destructively.

粘接结构广泛应用于航空航天等领域。在循环交变温度场作用下，粘接结构中由于温度疲劳导致的损伤会对航空航天器的稳定运行带来隐患。本项目针对粘接结构在温度疲劳载荷作用下其粘接界面和胶黏剂损伤开展非线性超声无损检测与评价。通过研究在温度疲劳作用下，粘接结构中胶黏剂与被粘接物之间界面微观局部脱粘，以及胶黏剂随着损伤发展表现出的非线性，得到超声波在损伤粘接结构中的传播规律以及超声波与粘接界面相互作用规律，建立声学参量与粘接质量特性、粘接强度之间的关系；通过对不同温度疲劳损伤状态下的粘接结构利用体波、导波（Lamb波）对进行非线性超声实验测量，建立超声声学参量与粘接结构温度疲劳加载过程之间的关系。本项目的最终目标是通过理论模型和实验测量结果中温度疲劳加载过程、超声声学参量以及粘接结构损伤之间的相互关系，建立对粘接结构的力学性能退化、损伤的起始和累积进行非线性超声无损检测的理论基础和技术实施方法。

随着胶粘剂的发展和粘接技术的不断成熟，粘接材料和结构在航空航天等领域得到了广泛的应用。当粘接界面不断承受循环温度疲劳作用时，被粘接物与胶粘剂之间会产生交变热应力和热应变，从而导致胶粘剂受损，粘接界面力学性能下降。因此，研究循环温度疲劳作用下粘接界面力学性能的退化以及损伤情况显得尤为重要。材料早期力学性能退化总是伴随着某种形式的非线性行为，从而引起超声波传播的非线性。本项目针对粘接结构温度疲劳损伤的非线性超声检测与评价的若干问题，开展了以下研究工作并取得如下研究成果：（1）进行了基于体波的循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声实验研究，得到了6061型铝合金/改性丙烯酸酯胶粘接界面的声学非线性系数随高温、低温循环次数的变化情况。（2）建立了粘接界面温度疲劳损伤的非线性力学模型，模拟计算了界面的拉/压伸刚度系数与声学非线性系数的关系，并进行了实验验证。（3）进行了粘接结构的频散特性研究，计算得到了导波各模态相应的频散关系以及胶层参数变化对第一阶模态相速度的影响。此外，还利用导波进行了低温循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声实验研究，得到了导波非线性系数与温度循环次数之间的关系。（4）进行了蜂窝夹层板结构中导波的传播特性及其脱粘损伤检测的研究，实现了对蜂窝夹层板结构脱粘损伤的检测以及定位。