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检测和有限元仿真结果表明，SH 0 模态导波的波形
0 引言
幅值对粘接强度的变化较为敏感。Gauthier等 [9] 利
粘接结构与焊接、铆接等连接方式相比，具有 用超声 Lamb 波的频散曲线和衰减系数对铝 -环氧
应力分布均匀、稳定性高、成型工艺性好以及制造 树脂粘接结构的界面强度变化进行了有效表征。艾
春安等 [1] 、常新龙等 [10] 利用Lamb波的频散特性曲
成本低等优点，已被广泛应用于航空航天、武器、机
械制造等领域。但这种结构在生产、使用以及长期 线对固体火箭发动机壳体中的脱粘缺陷以及粘接
贮存过程中，易受不良粘接工艺或不当贮存和适用 强度的变化进行了有效检测。虽然导波的速度、频
条件影响，会在粘接层处出现气孔、局部脱粘、老化 散等特性对于粘接强度的变化较为敏感，但在实验
或强度退化等问题，严重影响粘接结构的完整性和 检测中噪声以及导波多模式的时域混叠对于脱粘
性能质量。因此，对粘接结构的粘接层质量进行无 缺陷的检测和粘接强度的评估是不利的，需要合适
损检测与评估具有重要意义。 的时频分析方法对导波的模式进行识别，同时导波
粘接质量问题主要分两类：脱粘缺陷和粘接强 检测对于粘接结构的厚度也有一定的要求。
度退化。其中，粘接强度又包括内聚强度和界面粘 斜入射法通过斜入射到结构中的超声波的反
附强度 [1] 。超声检测作为粘接质量最常用的无损检 射特性来判断粘接质量。Rokhlin等 [11] 利用超声斜
测方法之一，具有对人体无害、穿透性强、指向性好、 入射方法对粘接结构的胶层固化过程进行了检测。
灵敏度高等特点。对于粘接结构中出现的气孔、脱 Rose等 [12] 基于弹簧边界模型利用超声斜入射法对
粘等缺陷，常规超声检测方法 (如脉冲反射法和透 铝 -有机玻璃 -铝粘接结构中界面刚度变化进行了
射法等) 已经能够很好地检测出来。对于界面粘附 系统的理论研究，通过实验验证表明超声斜入射的
强度减退和内聚强度弱化的检测和评估，目前采用 反射系数对界面粘接强度的变化比较敏感。吴斌
的超声检测方法主要有超声非线性方法 [2−6] 、导波 等 [13] 等在浸水斜入射条件下对超声的透射系数进
法 [1,7−10] 以及体波斜入射法 [1,11−14] 等。 行了数值计算，分析了粘接界面刚度变化对弱粘接
Rothenfusser 等 [2] 利用有限元理论计算了铝 - 结构透射系数的影响，并通过试验验证了理论数值
环氧树脂 -铝三层粘接结构中超声波非线性系数与 计算的正确性。艾春安等 [14] 利用超声斜入射波的
粘接层厚度及粘接强度的变化关系。Hirsekorn [3] 理 反射系数对粘接强度的变化进行了仿真计算和实
论研究了粘接结构层中粘接力对超声透射波和反 验检测，结果表明，在特定频率和入射角组合情况
射波的非线性影响，利用超声信号的非线性参量来 下，采用超声纵波斜入射法可实现对粘接结构界面
表征粘接强度的大小，并利用实验进行验证。李明 强度的定量检测。
轩等 [4] 、安志武等 [5] 建立了粘接结构的非线性弹簧 由上述分析可知，目前对于粘接强度的检测研
模型，对楔形粘接结构进行了非线性超声检测，结果 究主要是利用超声体波或导波结合界面简化模型
表明高次谐波对粘接强度较为敏感。江念等 [6] 提出 针对界面粘附强度进行分析研究，对粘接内聚强度
了基于水浸脉冲透射法的非线性超声检测方法，利 变化的研究相对较少。而在界面粘附强度检测研究
用信号时频分析和小波变换等方法来提取非线性 方面，大部分学者采用的是改变一种检测参数而固
超声特征参量，进而用于表征钢和有机玻璃的粘接 定其余参数的方法 (如固定入射波模式、频率、胶层
强度。然而由于目前非线性检测的理论研究还不够 厚度等参数来改变入射角) 来研究反射系数或透射
深入系统，以及非线性检测实验中各种非检测目标 系数随该参数的变化规律，再通过有限改变固定参
的非线性及噪声等对结果的影响较大等问题，粘接 数进一步分析反射透射系数的变化情况，从而找出
强度的超声非线性检测与评价工作有待进一步开 对界面强度变化敏感的超声检测参量。由于固定参
展研究。 数选取的离散性以及检测参数变化的单一性，利用
导波法依据粘接结构中传播的导波的速度、频 上述方法得到的粘接结构中的超声传播规律可能
散及模态变化等特性来表征粘接强度。Singher [7] 不够全面和透彻，对于超声检测参量的选取及其对
通过理论计算结合实验验证的方式研究了超声导 粘接强度敏感程度的研究和分析还不够系统和深
波的速度变化与粘接强度之间的关系。Castaings [8] 入。针对以上问题，本文以钢 -环氧树脂 -铅粘接结
利用 SH 波对粘接结构的界面强度进行表征，实验 构为例，采用超声斜入射法来系统研究粘接强度对
