宋遠(yuǎn)佳，張 煒，田 干，楊正偉，金國(guó)鋒

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心402室，綿陽(yáng) 621000;2.第二炮兵工程大學(xué)203室，西安 710025)

基于超聲紅外熱成像技術(shù)的復(fù)合材料損傷檢測(cè)①

宋遠(yuǎn)佳1，2，張 煒2，田 干2，楊正偉2，金國(guó)鋒2

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心402室，綿陽(yáng) 621000;2.第二炮兵工程大學(xué)203室，西安 710025)

采用超聲紅外熱成像技術(shù)，對(duì)某飛行器的復(fù)合材料殼體損傷進(jìn)行了檢測(cè)研究。采用數(shù)值分析模擬了超聲激勵(lì)下復(fù)合材料損傷處的摩擦生熱及熱傳導(dǎo)過(guò)程，分析了裂紋處的溫度分布及裂紋尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響;利用超聲波發(fā)生器對(duì)含分層損傷復(fù)合材料試件進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)表面溫度的分布實(shí)現(xiàn)了對(duì)損傷的定量識(shí)別。結(jié)果表明，超聲紅外熱成像技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到復(fù)合材料表面及淺表面的界面貼合型損傷(如分層，疲勞裂紋等);對(duì)損傷的定位準(zhǔn)確、檢測(cè)結(jié)果直觀(guān)、不存在加熱非均勻等問(wèn)題;選擇恰當(dāng)?shù)鸟詈喜牧夏苡行榜v波”現(xiàn)象的產(chǎn)生，并提高損傷檢測(cè)效果。

紅外熱成像;超聲激勵(lì);復(fù)合材料;損傷檢測(cè)

0 引言

復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天設(shè)備上廣泛使用。但在制造過(guò)程中，由于環(huán)境和人為因素，復(fù)合材料的最終制品中存在孔隙、分層等缺陷［1］;在使用過(guò)程中，動(dòng)、靜載荷等原因也會(huì)引起基體微裂紋、層間分離等損傷。這些界面貼合型的缺陷和損傷，將嚴(yán)重削弱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能，降低結(jié)構(gòu)的使用可靠性和安全性。因此發(fā)展快速、高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

近年來(lái)出現(xiàn)的超聲紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，特別適合檢測(cè)材料表面及淺表面的界面貼合型損傷，引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。Han Xiao-yan等在理論上和實(shí)驗(yàn)上作了大量工作，研究了超聲激勵(lì)引起不同金屬材料表面疲勞裂紋的發(fā)熱現(xiàn)象［2-6］，并對(duì)復(fù)合材料的疲勞損傷進(jìn)行了初步研究［7］;Cho Jaiwan［8］研究了銅管內(nèi)壁損傷在超聲激勵(lì)下的熱響應(yīng);Kyle Lick［9］檢測(cè)了金屬淺表面裂紋;鄭凱［10］研究了超聲激發(fā)下缺陷紅外信號(hào)的識(shí)別;陳趙江［11］對(duì)超聲波引起固體微裂紋發(fā)熱的現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究。目前有關(guān)超聲熱成像技術(shù)的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象基本都是金屬材料的邊緣或表面裂紋，而沒(méi)有對(duì)航空航天復(fù)合材料的各類(lèi)界面貼合型損傷(如疲勞裂紋、分層等)進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究，確定其合理的檢測(cè)參數(shù);損傷的識(shí)別主要集中在定性研究方面;該檢測(cè)系統(tǒng)僅為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

本文利用超聲紅外熱成像技術(shù)，借助于理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體的裂紋、分層等界面貼合型損傷進(jìn)行檢測(cè)研究，驗(yàn)證其檢測(cè)的可行性和有效性，并對(duì)損傷的定量識(shí)別進(jìn)行研究。

1 超聲紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)原理

超聲紅外熱像技術(shù)是將短脈沖(50～200 ms)、低頻率(20～40 kHz)的超聲波作用于物體表面，超聲波經(jīng)過(guò)界面耦合在物體中傳播，遇到裂紋、分層等損傷時(shí)，機(jī)械能在損傷界面的摩擦等作用下顯著衰減，并產(chǎn)生熱量，從而使損傷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，其對(duì)應(yīng)表面溫度場(chǎng)的變化可用紅外熱像儀觀(guān)察和記錄［2，7，11-12］。其檢測(cè)原理如圖 1 所示。

圖1 超聲紅外熱成像檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic of the basic principle of ultrasonic thermography technique

1.1 超聲波在損傷處的衰減生熱

在超聲波作用的過(guò)程中，材料內(nèi)部界面貼合型損傷的界面間發(fā)生接觸、滑移、分離等相互作用。材料在超聲載荷作用下的運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中M、C、K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;U為節(jié)點(diǎn)位移矩陣;F為超聲波引起的外載荷矩陣;R為損傷內(nèi)部界面接觸力矩陣。

損傷處產(chǎn)生熱流的熱流密度為［12］

式中q(t)為損傷處產(chǎn)生的熱流密度;μs、μd分別為損傷處的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù);c為靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦的速度系數(shù);RN(t)為法向接觸力;vτ(t)為接觸點(diǎn)的切向相對(duì)速度。

1.2 損傷處熱流的傳導(dǎo)

對(duì)于較薄的各向同性無(wú)限大平板材料，設(shè)其內(nèi)部損傷界面上各點(diǎn)生熱量相等且熱流均勻分布于2個(gè)交界面，其熱傳導(dǎo)微分方程可簡(jiǎn)化為一維模型:

式中T為溫度;x為橫坐標(biāo);t為時(shí)間;α為熱擴(kuò)散率。

式中T0為初始溫度;x0為橫坐標(biāo)上一點(diǎn);λ為材料熱導(dǎo)率。

理想情況下，忽略表面的對(duì)流和輻射換熱。經(jīng)計(jì)算可得物體損傷區(qū)域的溫度變化為

從而物體表面溫度變化為

對(duì)于各向異性的復(fù)合材料，難以求得其解析解，需要借助于數(shù)值分析的方法進(jìn)行研究。

2 數(shù)值仿真研究

2.1 建模與求解

由上述分析可知，超聲波在損傷處衰減生熱，以及熱流的傳導(dǎo)實(shí)際上是力-熱耦合過(guò)程，且損傷界面之間的接觸-碰撞屬于非線(xiàn)性過(guò)程，因此借助于非線(xiàn)性有限元軟件ABAQUS對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行仿真。

選擇某炭纖維復(fù)合材料作為研究對(duì)象，力學(xué)參數(shù)［4］如表1所示，其他物理參數(shù)為:密度1 340 kg/m3，比熱容700 J/(kg·K)，纖維方向熱導(dǎo)率12 W/(m·K)，垂直于纖維方向熱導(dǎo)率0.78 W/(m·K)。

表1 炭纖維復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical properties for graphite/epoxy laminate

建立尺寸為0.2 m×0.2 m×0.003 m的復(fù)合材料試件模型3個(gè)，距離試件表面頂部0.03 m的位置分別預(yù)置不同長(zhǎng)度的微小裂紋(長(zhǎng)1～5 mm，寬均為9 μm)如圖2(a)所示。采用八結(jié)點(diǎn)力-熱耦合六面體單元對(duì)試件劃分網(wǎng)格，并在裂紋面上覆蓋面-面接觸單元(模擬裂紋表面的接觸-碰撞及摩擦生熱)，單元總數(shù)約為5 800個(gè)，其中厚度方向劃分單元數(shù)為3個(gè)，如圖2(b)所示。

圖2 復(fù)合材料試件模型Fig.2 Model of composite sample

假定環(huán)境溫度Te保持不變，為25℃，材料的初始溫度為環(huán)境溫度，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)靜摩擦系數(shù)0.4，動(dòng)摩擦系數(shù)0.35，動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)化系數(shù)5。超聲激勵(lì)為一個(gè)作用于試件表面的簡(jiǎn)諧位移函數(shù)，超聲激勵(lì)后冷卻過(guò)程中材料的表面對(duì)流換熱系數(shù)取30 W/(m2·K)。由于裂紋附近區(qū)域溫度比較低，而本文所關(guān)心的問(wèn)題持續(xù)時(shí)間僅為幾百毫秒，所以在計(jì)算過(guò)程中，忽略裂紋附近區(qū)域的輻射換熱。

計(jì)算過(guò)程分2步:

第一步(超聲激勵(lì)過(guò)程):t=0～20 ms

初始條件:T|t=0=25℃

第二步(冷卻過(guò)程):t=20～100 ms

初始條件為第一步的計(jì)算結(jié)果。

邊界條件除簡(jiǎn)諧位移載荷外，其余與第一步相同。

根據(jù)初始條件和邊界條件，加載求解。

2.2 結(jié)果分析

圖3所示為超聲波在復(fù)合材料中傳播的瞬時(shí)圖。由圖3可清晰地觀(guān)察到超聲波由激勵(lì)處逐漸向四周傳播，在0.02 ms內(nèi)即傳到裂紋處，并在邊界處發(fā)生反射，反射波與入射波相互作用，從而形成復(fù)雜的振動(dòng)圖像。20 ms后激勵(lì)停止，由于阻尼作用振動(dòng)逐漸減弱直至停止。

實(shí)際上，對(duì)于組織架構(gòu)的調(diào)整，美的一直未曾停止。為了避免“大而不強(qiáng)”，美的近年來(lái)不斷出手調(diào)整事業(yè)部。隨著家電大企業(yè)多年的發(fā)展，部分企業(yè)內(nèi)部出現(xiàn)體制固化、資源共享不均衡、效率低下等問(wèn)題，美的也意識(shí)到這一潛在危機(jī)，有意通過(guò)調(diào)整縮短管理體系，實(shí)現(xiàn)一個(gè)集團(tuán)一個(gè)平臺(tái)下的統(tǒng)一步調(diào)。

圖4為表面溫度場(chǎng)熱圖序列。由圖4可知，在超聲激勵(lì)后0.66 ms左右，裂紋中部出現(xiàn)相互接觸并發(fā)生摩擦生熱，隨超聲激勵(lì)的持續(xù)，裂紋接觸面越來(lái)越大，摩擦增多，裂紋表面的溫度也逐漸升高并逐步向周?chē)鷤鲗?dǎo)。由此可得出結(jié)論:裂紋面在超聲激勵(lì)下發(fā)生接觸碰撞，且2個(gè)面的相對(duì)切向速度不同，出現(xiàn)脫離和滑移，進(jìn)而發(fā)生摩擦生熱現(xiàn)象。因此實(shí)際檢測(cè)過(guò)程就可根據(jù)材料表面出現(xiàn)的熱源點(diǎn)來(lái)判斷材料的損傷。

圖3 瞬時(shí)波動(dòng)圖Fig.3 Instantaneous volatility

圖4 表面溫度場(chǎng)熱圖序列Fig.4 Thermal serial plots of surface temperature

圖5給出了同一裂紋不同位置的溫度變化曲線(xiàn)，其中B點(diǎn)位于裂紋中部，D點(diǎn)位于裂紋尖端處，C點(diǎn)位于BD之間。由圖5可發(fā)現(xiàn)，超聲激勵(lì)后，裂紋各個(gè)部分溫度均迅速上升，且中部的溫度變化率大于邊緣部。在t=22 ms時(shí)，裂紋處溫度上升至最大值，其中中部B點(diǎn)的溫升值約為2.45℃，C點(diǎn)的溫升值約為1.47℃，而尖端D點(diǎn)的溫升值為0.41℃。從圖5還可發(fā)現(xiàn)，溫度變化曲線(xiàn)在上升階段存在波動(dòng)，其原因是裂紋面在超聲激勵(lì)下是間歇接觸碰撞，在間歇時(shí)間內(nèi)，溫度可能會(huì)下降。

圖6為不同長(zhǎng)度裂紋中部溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖6可看出，裂紋越長(zhǎng)，其表面溫度變化越大。主要原因?yàn)?，裂紋越長(zhǎng)，其接觸面越大，在超聲激勵(lì)下就能產(chǎn)生更多的熱量。且裂紋處的絕對(duì)溫度上升值不超過(guò)3℃，對(duì)材料的性能不會(huì)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)代紅外熱像儀的溫度靈敏度可達(dá)0.01℃，完全滿(mǎn)足檢測(cè)微小損傷的要求。

圖5 裂紋處不同位置溫度變化曲線(xiàn)Fig.5 Surface temperature variation curves at different location of crack

圖6 不同裂紋中部溫度變化曲線(xiàn)Fig.6 Surface temperature variation curves at the middle part of different crack

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)借助于首都師范大學(xué)的紅外熱波實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行。超聲激勵(lì)系統(tǒng)采用的是BRANSON公司制造的型號(hào)為2000aed的超聲儀，最大功率4 000 W，激勵(lì)頻率為20 kHz，可通過(guò)振幅參數(shù)調(diào)節(jié)輸出功率。通過(guò)控制器可調(diào)節(jié)超聲槍頭作用力的大小(調(diào)節(jié)范圍是44～4 000 N)，超聲作用時(shí)間(10 ms～30 s)等參數(shù)。紅外熱像儀采用的是FLIR ThermaCAMTMSC3000，該熱像儀采用制冷型量子阱紅外光電探測(cè)器技術(shù)，工作波段8～9 μm，溫度靈敏度在室溫下為0.02 K，可提供320×240像素的圖像。紅外圖像的采集時(shí)間為20 s，采集頻率60 Hz。

試件由2層玻璃纖維材料壓制而成，長(zhǎng)251 mm，寬251 mm，厚5 mm，人工模擬圓形分層損傷是夾在玻璃纖維層壓板中的聚四氟乙烯層壓片，圖7為玻璃纖維試件實(shí)物照片。

實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行熱像儀的溫度標(biāo)定和焦距設(shè)置，用黑體對(duì)熱像儀進(jìn)行溫度標(biāo)定，使熱像儀視場(chǎng)均勻;將試件和超聲槍固定好，熱像儀鏡頭離試件的距離在11～45 cm之間調(diào)整，使被測(cè)物圖像顯示清晰。超聲槍與試件的接觸壓力設(shè)為44 N，作用時(shí)間為200 ms，熱像儀的采集頻率為60 Hz，采集時(shí)間20 s，設(shè)置好后，便可啟動(dòng)超聲裝置和熱像采集裝置開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。為提高檢測(cè)效果，在3個(gè)預(yù)置損傷附近分別進(jìn)行超聲激勵(lì)。開(kāi)始超聲激勵(lì)前有幾幀圖像也被存儲(chǔ)了下來(lái)，這幾幀圖像僅是激勵(lì)前的溫度分布記錄，能從激勵(lì)后的圖像中減去或作為參考。

圖7 含3個(gè)不同分層損傷的復(fù)合材料殼體試件Fig.7 Composite shell specimen with three different inclusions

3.2 結(jié)果分析

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results

圖9為2號(hào)損傷2次檢測(cè)對(duì)應(yīng)的熱圖。圖9(a)中，“駐波”現(xiàn)象非常嚴(yán)重，已完全湮沒(méi)了正常的損傷熱信號(hào)。為了消除“駐波”現(xiàn)象，嘗試使用不同的耦合材料，最終發(fā)現(xiàn)醫(yī)用膠帶的效果非常好，其檢測(cè)結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9 2號(hào)損傷檢測(cè)結(jié)果圖Fig.9 Detection results of No.2 damage

3.3 圖像處理與損傷定量識(shí)別

為提取定量的損傷信息，還需要對(duì)原始熱圖進(jìn)行增強(qiáng)和分割處理。采用同態(tài)濾波的圖像增強(qiáng)方法和基于分水嶺的圖像分割方法對(duì)2號(hào)損傷對(duì)比度較大的一幀原始熱圖進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖10所示。根據(jù)圖像分割的結(jié)果，可計(jì)算損傷的大小如表2所示。由表2可知，由于受到橫向熱擴(kuò)散的影響，導(dǎo)致測(cè)量值稍大于真實(shí)值。

表2 損傷參數(shù)計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值的比較Table 2 Estimating parameters for defects and contrast with the real values

圖10 圖像處理結(jié)果及其三維顯示效果Fig.10 Results of image processing and 3D show

4 結(jié)論

(1)利用有限元方法對(duì)復(fù)合材料表面疲勞裂紋檢測(cè)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，裂紋面在超聲激勵(lì)下發(fā)生了接觸、碰撞等運(yùn)動(dòng)，且由于裂紋面不光滑，出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦生熱現(xiàn)象;裂紋中部生熱速率大于裂紋尖端處;微小裂紋(≤1 mm)可以被檢測(cè)出，且裂紋越長(zhǎng)，裂紋面越大，則表面溫度場(chǎng)的相對(duì)變化就越大，但微小裂紋表面溫度場(chǎng)變化的絕對(duì)值較小。

(2)通過(guò)對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料內(nèi)部分層損傷的檢測(cè)試驗(yàn)，研究了試件表面溫度場(chǎng)的變化，分析了超聲波激勵(lì)源及“駐波”對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了定量識(shí)別，由于熱的橫向傳導(dǎo)，使得識(shí)別值略大于真實(shí)值;通過(guò)與脈沖熱激勵(lì)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲熱激勵(lì)特別適合對(duì)復(fù)合材料中的裂紋、分層等界面貼合型損傷進(jìn)行檢測(cè)，其效果明顯，且不需要考慮加熱不均勻的問(wèn)題。

(3)通過(guò)對(duì)不同耦合材料的試驗(yàn)得出，醫(yī)用膠帶能保證激勵(lì)過(guò)程中，超聲波有效地進(jìn)入試件，激發(fā)損傷處生熱，并消除“駐波”現(xiàn)象。

(4)數(shù)值仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲紅外熱成像技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料是一種快速、有效的檢測(cè)方法，在確定各檢測(cè)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此方法可在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管等關(guān)鍵部位的無(wú)損檢測(cè)中發(fā)揮巨大作用。

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Damage detection of composites based on ultrasonic infrared thermography technique

SONG Yuan-jia1，2，ZHANG Wei2，TIAN Gan2，YANG Zheng-wei2，JIN Guo-feng2
(1.402 Office，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China;2.203 Office，The Second Artillery Engineering University of PLA，Xi＇an 710025，China)

Based on the ultrasonic infrared thermography(UIT)technique，the damage on composite shell of certain aerospace vehicles was inspected.Firstly，the frictional heating and thermal conductivity at the crack of the composites under ultrasonic excitation were simulated by numerical simulation method.The influences of temperature distribution around the crack and the influence of the size of crack for testing result were analyzed.Secondly，the composites involving delamination was detected by the ultrasonic generator，size was estimated quantificationally.The results show that the UIT can identify the contacting interface-type damages at the surface or subsurface of composites rapidly，for example，delamination，fatigue crack et al.It can locate the damage accurately and intuitively，and there is no uniform heating problems.Suitable coupling material can improve testing quality and eliminate“standing wave”effectively.

infrared thermography;ultrasonic excitation;composites;damage detection

V258;TP274

A

1006-2793(2012)04-0559-06

2011-08-30;

2011-09-30。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51075390)。

宋遠(yuǎn)佳(1983—)，男，博士生，研究方向?yàn)榈氐貙?dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)、監(jiān)控與仿真。

book=35,ebook=375

(編輯:呂耀輝)