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(空軍第一航空學(xué)院 航空修理工程系，信陽 464000)

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的大量應(yīng)用，復(fù)合材料性能不足、設(shè)計制造缺陷、使用不當(dāng)和環(huán)境條件等原因造成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷問題也嚴(yán)重困擾著使用單位。因此，采用無損檢測技術(shù)對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測是飛行安全的重要保證。

激光錯位散斑檢測技術(shù)以其非接觸、高精度、全場性、實時性等顯著優(yōu)點，已逐漸成為外場復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測的重要手段之一[1-4]。美國空軍將該技術(shù)作為檢測B-2飛機(jī)蒙皮與芯子黏結(jié)質(zhì)量的主要手段，肯尼迪航天中心用該技術(shù)檢測航天飛機(jī)外部燃料箱熱保護(hù)層和固體火箭推進(jìn)器的熱保護(hù)層[5]。天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等也將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料夾雜、脫黏、芯格斷裂、沖擊損傷等缺陷的檢測中[6-14]。但這些研究都集中在技術(shù)可行性及缺陷定量檢測方面，對實際檢測過程中影響檢測效果的因素缺乏研究。

筆者在分析激光錯位散斑檢測原理的基礎(chǔ)上，建立了激光錯位散斑檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的真空加載模型，分析了影響檢測效果的因素，并進(jìn)行了試驗驗證，對復(fù)合材料激光錯位散斑檢測工藝具有重要指導(dǎo)意義。

1 激光錯位散斑檢測原理

圖1 激光錯位散斑檢測基本原理示意

激光錯位散斑檢測基本原理示意如圖1所示。激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過反射鏡1照射到工件表面，從工件表面反射出來的激光束進(jìn)入分光鏡。分光鏡將激光分為兩路：一路經(jīng)反射鏡2反射后進(jìn)入CCD(電荷耦合器件)相機(jī)；另一路進(jìn)入移相反射鏡。由于移相反射鏡有一定的傾斜量(其法線與入射的激光束之間有一定夾角)，經(jīng)移相反射鏡反射后的激光束進(jìn)入CCD相機(jī)時，與先前進(jìn)入的一路激光束之間有一定的偏移量(亦稱剪切量),兩束激光相遇后發(fā)生干涉，形成干涉條紋圖像[15]。當(dāng)物體在加載狀態(tài)下發(fā)生變形時，散斑圖會有少許變化。將通過CCD相機(jī)和圖像采集卡得到的散斑圖像數(shù)字化為二維的數(shù)據(jù)文件，即可得到CCD面陣所在面積上的光強(qiáng)分布I(x,y)。通過對兩幅散斑圖(加載變形前和加載變形后)采用相減、濾波等圖像處理方法及圖像重構(gòu)技術(shù)，即可在監(jiān)視器上顯示出物體檢測面在加載后的微量變形情況。

在圖1中，假設(shè)第一幅波形圖(加載變形前)上任一點i(x，y)的光強(qiáng)分布如式(1)所示。

Ii(x,y)=I0(x,y)+r(x,y)cos[φ(x,y)]

(1)

式中：I0(x,y)為背景光強(qiáng)；r(x,y)為干涉條紋對比度；cos[φ(x,y)]為含有物體變形信息的相位因子。

隔一段時間后(加載后相位變化)，物體圖像的能量分布如式(2)所示。

If(x,y)=I0(x,y)+r(x,y)cos[φ(x,y)+δ]

(2)

式中：δ為相位變化量。

兩幅波形圖進(jìn)行反相相減得到相對于變化場的條紋圖公式，如式(3)所示。

I(x,y)=

(3)

可見通過散斑干涉圖只能得到相位信息，而無損檢測中離面位移測量需要的是有關(guān)位移的變形信息(μ，ν，ω),因此實際錯位散斑離面位移的測量需由相位信息δ與光程差的關(guān)系，再由光程差與離面位移變形間的關(guān)系得出。

相位變化量δ與沿x方向的位錯量Δx之間的關(guān)系如式(4)所示。

(4)

式中：A，B，C為位移變化系數(shù);λ為波長。

激光錯位散斑檢測加載方式很多，常用的有熱加載和真空加載。真空加載就是利用真空吸盤進(jìn)行加載的方法，由于缺陷的強(qiáng)度一般比基體材料強(qiáng)度小很多，缺陷處就會有較大變形量。

在實際檢測中，復(fù)合材料檢測對象的特征形變與加載方式、載荷大小、缺陷大小、缺陷埋深及材料結(jié)構(gòu)特點等因素密切相關(guān)，因此研究激光錯位散斑檢測效果的影響因素與檢測對象特征形變間的關(guān)系是進(jìn)行激光散斑檢測應(yīng)用研究的前提。

2 仿真分析

采用ANSYS軟件提供的8節(jié)點3D實體單元Solid46模擬T300/QY8911復(fù)合材料。為了提高計算效率和精度，利用對稱性建立其1/4幾何模型[見圖2(a)]。圖2(b)中①，②，③區(qū)分別表示含分層損傷復(fù)合材料層壓板的分層區(qū)下、上子板和無分層區(qū)的基板。分層區(qū)下、上子板的界面雖重合但不共面，即在劃分網(wǎng)格時，其同一位置有兩個節(jié)點。

圖2 有限元分析幾何模型

圖3 不同鋪層方式對檢測結(jié)果的影響

2.1 鋪層方式對檢測結(jié)果的影響

分別建立了0°鋪層、0°+90°對稱鋪層和混合鋪層3種不同鋪層方式的有限元分析模型，鋪層數(shù)均為30層，分層損傷埋藏深度為1.8 mm(第15層下)，分層缺陷直徑為10 cm，真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa。

上述3種不同鋪層方式對檢測結(jié)果的影響如圖3所示。從圖3可以看出，單一鋪層方式的變形稍大，而0°+90°鋪層方式和實際混合鋪層方式的變形差別很小。也就是說，對于實際結(jié)構(gòu)的檢測，基本上不需要特別關(guān)注鋪層方向的影響。

2.2 缺陷直徑對檢測結(jié)果的影響

取真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa，建立30層混合鋪層有限元分析模型，并假設(shè)分層缺陷位于第15層，5，10，15，20，30，40 mm不同缺陷直徑對檢測結(jié)果的影響如圖4所示。分析結(jié)果表明，缺陷直徑越大，缺陷附近的特征變形量越顯著。另外，還可以看出，即便是5 mm分層缺陷的特征變形量都很明顯，也容易被檢測出來。

圖4 不同缺陷直徑對檢測結(jié)果的影響

2.3 缺陷位置對檢測結(jié)果的影響

分別建立了分層缺陷位于第2，4，8，10，12，15鋪層下的30層混合鋪層有限元分析模型。取真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa， 不同缺陷位置對檢測結(jié)果的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨著缺陷埋藏深度的增加，變形量減小。同時可以看出，即便缺陷位于第15層以下，缺陷所在區(qū)域的特征變形量依然很明顯，且邊界清晰，可以被檢測出來。

圖5 不同缺陷位置對檢測結(jié)果的影響

2.4 壓強(qiáng)差對檢測結(jié)果的影響

改變真空吸盤內(nèi)真空壓力分別至10-4，0.01，0.1，100，1 000，104，5×104，8×104Pa，得到不同真空度對檢測結(jié)果的影響如圖6所示。

圖6 不同真空度對檢測結(jié)果的影響

計算結(jié)果表明，當(dāng)真空壓力為50 kPa時，結(jié)構(gòu)的特征變形量已經(jīng)很明顯，當(dāng)真空壓力小于104Pa后，結(jié)構(gòu)的特征變形量幾乎不再繼續(xù)增加。因此，檢測中只需保證吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差在50 kPa～90 kPa之間即可，沒有必要追求更高的壓強(qiáng)差。

3 試驗過程

試樣單層厚度為0.125 mm，共20 層，采用預(yù)置兩層聚四氟乙烯膜的方法模擬脫黏缺陷，缺陷埋深分別位于鋪層的4，8，12，16層，缺陷直徑有4種(5，10，15，20 mm)，預(yù)埋缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 預(yù)埋缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

采用美國LTI公司生產(chǎn)的LTI-6200便攜式激光錯位散斑檢測系統(tǒng)對試樣進(jìn)行局部檢測和整體檢測。系統(tǒng)由CCD相機(jī)、激光發(fā)生器、加載裝置和控制系統(tǒng)等部分組成，內(nèi)置激光器波長為655 nm，功率為50 mW。通過便攜式真空罩進(jìn)行真空加載，真空吸盤內(nèi)外最大壓強(qiáng)差為92 kPa。

3.1 局部檢測試驗

局部檢測對象是預(yù)埋在第8層的φ20 mm人工缺陷，設(shè)置吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差分別為50 kPa，60 kPa，70 kPa，92 kPa進(jìn)行試驗，壓強(qiáng)差對檢測結(jié)果的影響如圖8所示。

圖8 壓強(qiáng)差對檢測結(jié)果的影響

從上述試驗結(jié)果可看出，隨著真空載荷的增加，缺陷條紋級數(shù)也增加，缺陷顯示更加直觀。但當(dāng)檢測的真空載荷增加到一定數(shù)值后，散斑檢測圖形(即條紋級數(shù)和圖形面積)變化不再明顯，這與前文中的有限元分析結(jié)果基本一致。

起初，隨著真空壓力的增加，缺陷處的特征變形量增大，但當(dāng)其增大到一定程度以后，結(jié)構(gòu)的變形趨于穩(wěn)定。這說明在實際的檢測中，將真空載荷控制到一定程度即可，沒必要因為追求過高的真空壓力而增加檢測工藝的難度。

3.2 整體檢測試驗

采用LTI-6200激光錯位散斑檢測系統(tǒng)，設(shè)置吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa，加載時間為5 s，對整個試件進(jìn)行整體檢測，檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 層壓板結(jié)構(gòu)激光散斑檢測圖像

由檢測圖像可見，對于不同深度的缺陷，位于第4，8，12層的缺陷都能完整檢測出來，位于第16層的缺陷難以識別；對于直徑為5～20 mm的缺陷均能夠明顯檢出，且缺陷越大，檢測圖像越明顯，檢測圖形的面積與實際缺陷的大小成正比。

從上述分析可知，激光散斑檢測對近表面缺陷的檢出能力很強(qiáng)，當(dāng)缺陷埋深大于15層(約1.9 mm)后，檢測效果不佳，必須采用其他方法。

4 結(jié)論

(1) 在眾多影響因素中，復(fù)合材料激光錯位散斑檢測受缺陷尺寸、缺陷位置、真空載荷影響較大。

(2) 真空載荷對檢測結(jié)果有明顯影響，隨著真空載荷的增加，缺陷顯示更加直觀。但當(dāng)真空載荷增加到一定數(shù)值后，散斑檢測圖形變化不再明顯，考慮到真空加載在外場原位檢測中的工藝較繁瑣，建議采用熱加載為主，真空加載為輔的檢測方法。

(3) 缺陷埋深和大小對檢測結(jié)果均有影響，試驗結(jié)果表明，直徑大于5 mm的缺陷均可準(zhǔn)確檢出，但埋深較深(16層以下)缺陷的檢測特征不明顯。

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