劉麗娜

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

碳纖維構(gòu)件擠壓漸進損傷無損檢測及其圖像分析*

劉麗娜

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

針對反復出現(xiàn)的小能量擠壓是否會對復合材料層合板造成結(jié)構(gòu)損傷，進行了碳纖維構(gòu)件擠壓漸進試驗。應(yīng)用紅外無損檢測方法采集對象圖像，觀測損傷結(jié)果，采用MATLAB圖像分析軟件對紅外熱像圖進行數(shù)字圖像分析。研究結(jié)果表明，碳纖維層合板試件在單次小能量擠壓作用下，未出現(xiàn)明顯缺陷；在小能量擠壓重復作用下，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的損傷缺陷。采用紅外熱成像檢測方法，可以快速、有效、可靠地檢測結(jié)構(gòu)損傷。

碳纖維構(gòu)件；擠壓漸進；無損檢測；圖像分析

碳纖維作為一種先進的結(jié)構(gòu)材料,具有密度低、比性能高、無蠕變、非氧化環(huán)境下耐超高溫性好、耐疲勞性好、耐腐蝕性好、X射線透過性好以及電磁屏蔽性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)、能源工程、民用建筑和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。在航空方面，由于碳纖維構(gòu)件大部分采用整體成形，使連接件大幅度減少，從而極大地減小了飛行器的質(zhì)量，優(yōu)化了總體飛機結(jié)構(gòu)，使飛機結(jié)構(gòu)整體的可靠性指標得到上升；但是碳纖維構(gòu)件存在層間強度低的特性,它對許多種類的外物擠壓較為敏感，而這些損傷往往是無法用肉眼觀察的，卻會破壞整體結(jié)構(gòu)，使構(gòu)件失去應(yīng)有的功能[2]。因而，運用簡單易行的損傷檢測方法對碳纖維構(gòu)件的初期損傷進行發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控已刻不容緩。

本文通過對碳纖維復合材料層合板施加不同能量、不同加載次數(shù)擠壓試驗，運用了紅外熱成像儀無損探傷的方法[3]，應(yīng)用MATLAB軟件進行熱圖像處理，從而量化損傷面積的大小，研究不同加載次數(shù)下的小能量擠壓損傷程度發(fā)展規(guī)律[4]。

1 碳纖維構(gòu)件擠壓漸進試驗

物體受到擠壓后或多或少會產(chǎn)生變形。由于層間強度低，復合材料層合板對許多類型的外物擠壓損傷較為敏感，這些損傷可能是制造和維護過程中設(shè)備碰撞、人員蹬踏等造成，也可能是飛機使用過程中冰雹敲擊、飛機起飛降落時跑道小石塊對機翼和機身下表面蒙皮撞擊造成，這類損傷憑肉眼往往難以發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為目視不可檢的內(nèi)部損傷，其可導致基體開裂和分層損傷，嚴重時還會出現(xiàn)纖維斷裂。本次試驗?zāi)M此類小能量擠壓，并針對反復出現(xiàn)的小能量擠壓是否會對復合材料層合板造成結(jié)構(gòu)損傷進行試驗研究。

擠壓漸進試驗在室溫((25±2)℃)條件下進行。試驗選用4塊同種碳纖維增強多層復合材料板，外形尺寸均為50 mm×50 mm×1.5 mm。采用伺服電動機控制電子萬能試驗機(見圖1)，對碳纖維復合材料層合板進行擠壓損傷試驗(見圖2)。損傷部分是直徑為40 mm的圓形區(qū)域，壓頭是一個直徑為22 mm的鋼制球體端部，壓頭軸線與板平面垂直。為使受力均勻，在碳纖維層合板與鋼球之間放入硬紙板，通過調(diào)整壓力荷載的大小控制擠壓能量。

圖1 萬能試驗機 圖2 擠壓漸進試驗

具體試驗方案為：1#試件采用最大載荷為1 kN的力進行緩慢加載，加載次數(shù)為1次；2#試件采用最大載荷為1 kN的力進行緩慢加載，加載次數(shù)為200次；3#試件采用最大載荷為2 kN的力進行緩慢加載，加載次數(shù)為1次；4#試件采用最大載荷為3 kN的力進行緩慢加載，加載次數(shù)為1次。各試件的加載圖形如圖3所示。

圖3 各個試件的加載曲線

由圖3可以看出，試件在小能量單次或較少疲勞次數(shù)下，加載曲線光滑無彎折；當加大沖擊能量以及提升小能量疲勞加載次數(shù)時，加載曲線有明顯彎折，且彎折點隨著加載能量的增大而降低。

2 紅外熱波檢測試驗

紅外無損檢測技術(shù)在對各種材料、各種形狀的試樣的檢測方面有廣闊的發(fā)展前景，不僅在于其非接觸式測量、紅外無損檢測實時性很強，而且具有遠距離測量、設(shè)備可移動等特點，使得這項檢測技術(shù)迅速發(fā)展。在多個領(lǐng)域中，金屬材料都有其廣泛的應(yīng)用，因而研究檢測金屬工件內(nèi)部缺陷的紅外方法具有非常重大的意義。

本試驗采用的紅外熱成像檢測試驗系統(tǒng)如圖4所示。試驗系統(tǒng)主要包括ImageIR高端紅外成像系統(tǒng)、激勵源、時間控制器、試驗臺、計算機處理系統(tǒng)和待測試件等部分。熱像儀用于熱像圖的采集、處理和保存等，被測物體中如果存在缺陷，可在熱像圖上觀察到。該系統(tǒng)不僅可以捕捉到清晰的熱像圖，還可以對圖像進行基本分析，初步判定缺陷所在部位及區(qū)域大小。激勵源為試驗提供熱源，時間控制器用來精確控制激勵源的加熱時長[5-6]。

圖4 紅外熱成像檢測試驗系統(tǒng)示意圖

試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，1#試件由于沖擊能量較小，碳纖維層合板沒有明顯損傷缺陷，2#、3#和4#試件在加大了沖擊能量和沖擊次數(shù)后，碳纖維層合板已經(jīng)具有明顯的損傷缺陷，但圖像間的大小區(qū)別并不明顯。

圖5 各個試件紅外熱像圖

下述通過MATLAB數(shù)字圖像分析軟件，對后3幅紅外熱像圖進行量化分析，尋求加載次數(shù)與沖擊能量之間的對比關(guān)系。

3 試件紅外熱像圖分析結(jié)果

在紅外圖像采集過程中，由于熱激勵源的位置和激勵方向等多方面的原因，常出現(xiàn)圖像不均勻、對比度不足等弊端，使人眼在觀看圖像時視覺效果較差。本文首先對試驗中采集的紅外熱像圖進行相同大小面積的剪裁，以保證被分析區(qū)域總像素相同(見圖6)；其次，采用灰度線性變換對紅外圖像進行處理，使圖像動態(tài)范圍加大，圖像對比度擴展，圖像清晰，特征明顯(見圖7)；然后，采用最大類間方差法對圖像進行分割處理，實現(xiàn)對目標區(qū)域邊界、位置(見圖8)；最后，對圖像進行二值化處理，提取缺陷大小，從而確定脫粘區(qū)域面積(見圖9)[7-8]。

圖6 各試件相同分析區(qū)域

圖7 各試件灰度變換圖

圖8 各試件缺陷分割圖

圖9 各試件圖像二值化

在圖像中，損傷面積大小用像素數(shù)(PIX)來表示。對二值圖取像素值為1的像素個數(shù)表示脫粘大小，脫粘實際面積大小可以根據(jù)熱圖的像素尺寸和試件的實際尺寸的比例得到，該比例關(guān)系可由熱像儀的成像距離和熱像儀所用的鏡頭倍數(shù)來確定。其計算方法如下：

式中，Length和Width分別為試件實際的長度和寬度；Mrow和Mcol分別為其對應(yīng)圖像的行數(shù)和列數(shù)；SIZE為缺陷的實際面積大小。經(jīng)計算后，各個試件缺陷像素大小如下：1#試件為128；2#試件為3 362；3#試件為896；4#試件為3 159。1#試件由于在圖像采集過程中存在噪聲，基本可以忽略；2#試件具有缺陷像素，與圖3b的加載曲線相吻合；3#和4#試件，隨著加載擠壓能量的增加，損傷缺陷面積像素明顯增加。圖像分析結(jié)果與加載曲線的走向基本一致。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出如下結(jié)論。

1)詳細對比加載曲線和紅外熱像處理結(jié)果，對于碳纖維層合板試件在單次小能量擠壓作用下，未出現(xiàn)明顯缺陷。在小能量擠壓重復作用下，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的損傷缺陷，通過紅外熱成像檢測方法可以快速、有效和可靠地檢測結(jié)構(gòu)損傷。

2)通過對紅外熱像檢測結(jié)果的圖像進行處理分析，可以有效描述碳纖維構(gòu)件擠壓損傷漸進發(fā)展的過程，并確定擠壓損傷缺陷類型。

3)通過試驗分析結(jié)果可以看出，加載曲線的彎折點同為判斷試件是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的依據(jù)，并且擠壓能量越大，曲線上的彎折點越靠近起點。

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[4] 劉麗娜，鄭步生. 紅外熱成像技術(shù)在碳纖維加固構(gòu)件沖擊探傷中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2015(11):122-124.

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* 江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB590001)

責任編輯 馬彤

Nondestructive Detection and Image Analysis of Progressive Damage of Carbon Fiber Components

LIU Lina

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China)

In order to study that the recurrent small energy squeeze whether will cause structural damage to the composite laminated plate, the carbon fiber components squeezing gradual test is done. Through object image for the collection of nondestructive testing methods, the infrared thermal image analysis software based on MATLAB figure for digital image is used to analyze the results. The research results show that under the action of a single small energy extrusion, carbon fiber lamina specimens do not have the obvious flaw, and in small energy extrusion under the action of repeated, it can produce the structure of the defect. Through the infrared thermal imaging detection method, the structural damage can be detected in the quick, effective and reliable state.

carbon fiber components, squeeze the gradual, nondestructive testing, image analysis

TU 528.58; TP 751.1

A

劉麗娜(1981-),女，碩士，講師，主要從事民航機電工程等方面的研究。

2016-09-28