陳叢茂，周虹，蒿寶乾，曹智偉

（上海工程技術(shù)大學(xué)飛行學(xué)院，上海，201620）

0 引言

碳纖維因其具有高比模量與高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，且具有耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞、密度小、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等[1]優(yōu)異性，在航空領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。例如波音787機(jī)身大量采用碳纖維復(fù)合材料，根據(jù)其受力情況使用不同厚薄的蒙皮，低應(yīng)力區(qū)域僅使用了12層的復(fù)合材料用于制成蒙皮，而在高應(yīng)力區(qū)域使用碳纖維達(dá)到100多層[2]，波音787的復(fù)合材料用量為50%。空客A350的前翼由100層碳纖維復(fù)合材料制成，并且機(jī)翼幾乎完全由碳纖維制作。A350的復(fù)合材料用量為52%，比波音787用量還高兩個百分比[3]。

隨著技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)需求，碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，具體表現(xiàn)為從次承受力部件向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，結(jié)構(gòu)一體化成型，碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件多厚度，多尺寸，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但碳纖維復(fù)合材料在制造或使用過程中會產(chǎn)生缺陷，缺陷會對碳纖維的性能產(chǎn)生影響[4]，所以越來越多的學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料缺陷展開研究，并取得可觀的成果。其缺陷一般包括：夾雜、分層、疏松、脫粘、裂紋、孔隙、纖維卷曲、纖維斷層、貧膠、富脂等。其中孔隙、夾雜、分層和富脂是其主要的缺陷類型[5]。這些缺陷對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性造成致命威脅。因此,在航空航天領(lǐng)域，除使用嚴(yán)格的工藝要求保證盡可能避免產(chǎn)生缺陷外，各類無損檢測技術(shù)是保證復(fù)合材料安全可靠的一大重要方式。

激光超聲學(xué)是利用激光產(chǎn)生超聲，并展開超聲傳播研究與材料性能無損評估的一門新興交叉學(xué)科。與傳統(tǒng)壓電換能器技術(shù)相比較，激光超聲的優(yōu)點(diǎn)在于它是非接觸型檢測，它克服了壓電換能器技術(shù)中受耦合劑影響的部分,可用于各類較為復(fù)雜形狀式樣特性檢測,加之它屬于寬帶檢測技術(shù)范疇,能將光波波長作為測量標(biāo)準(zhǔn)，高精度測量超聲位移,所以是一種有極廣泛應(yīng)用前景的新興無損檢測技術(shù)[6]。

本文中采用有限元仿真模擬的方法，探究碳纖維環(huán)氧樹脂表面波形與表面缺陷深度和寬度隨時間的關(guān)系。用等效力源模擬激光照射材料表面產(chǎn)生表面波形，并分析所得波形。分析出材料表面缺陷對表面波型的影響，與無缺陷材料波形作對比，分析出波形與表面缺陷之間的定量關(guān)系。本文采用單向碳纖維-環(huán)氧樹脂材料，分別對纖維方向和纖維法向獲得材料進(jìn)行討論。

圖1 超聲波檢損基本原理

1 激光產(chǎn)生的表面波

超聲檢測利用超聲波在材料表面?zhèn)鞑ミ^程中，碰到形如孔隙、裂紋等缺陷后反射回來獲得的聲訊號特征，或利用聲能在不同物質(zhì)中的衰減程度不相同等性能,檢測被測物體內(nèi)部缺陷情況。超聲波檢損的基本原理如圖所示：

2 激光超聲激發(fā)機(jī)理

激光激發(fā)超聲的機(jī)理有熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)。熱彈效應(yīng)的激光功率較低,當(dāng)激光器照射到材料表面的能量不能使其表面融化，材料吸收這些能量急劇膨脹，產(chǎn)生了應(yīng)力波。表層局部升溫，激發(fā)出橫波、縱波和表面波且材料表面沒有任何損傷, 具有極佳的應(yīng)用前景。燒蝕機(jī)理的入射功率密度較高,激光能量足以使材料表面溫度急劇升高至材料的熔點(diǎn)，導(dǎo)致表面小部分材料氣化形成等離子體，于是有一垂直于表面的反作用應(yīng)力作用在表面，激發(fā)出幅值較大的超聲縱波。這種方法會在一定程度的損傷材料表面,因此只適用于某些特定場合[7-8]。隨激光脈沖前沿領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,激光脈沖寬度已可以壓縮到ps級、fs級,在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機(jī)理基礎(chǔ)上,形成了一些新的激發(fā)超聲波方法，本文不作展開。

2.1 熱彈激發(fā)機(jī)理

如圖2所示，當(dāng)脈沖激光入射到固體表面,固體淺表面吸收光能,并迅速轉(zhuǎn)化為熱能,使樣品表面產(chǎn)生一個瞬間的局部溫度差,淺表面會因?yàn)檫@個瞬間的局部溫差發(fā)生體積膨脹從而在材料上產(chǎn)生表面切向力,繼而激發(fā)出超聲信號。如果入射激光的光功率密度沒有達(dá)到固體表面的損傷閾值(金屬材料一般為107W/cm2),則材料表面不會被激光脈沖所產(chǎn)生的熱能所熔化,材料表層的局部溫度上升不會導(dǎo)致材料的任何損傷,這時起決定性作用的是熱彈激發(fā)效應(yīng)。熱彈效應(yīng)因其激發(fā)的功率密度低且對材料表面不會產(chǎn)生任何相變,所以符合嚴(yán)格和無損的檢測特點(diǎn),且能產(chǎn)生各種聲波。

圖2 熱彈激發(fā)機(jī)理原理圖

激光照射固體表面激發(fā)超聲波的機(jī)制較為復(fù)雜，激光激發(fā)超聲波主要分為熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制兩種，以最大程度減少對工件的損傷的原則，燒蝕機(jī)制不適合使用。故本文將基于熱彈機(jī)制激發(fā)出的波形進(jìn)行討論。研究中用等效力源來模擬脈沖激光激發(fā)的表面波，其等效力源位移表達(dá)式為：

上式中，T0為激光發(fā)射周期，f0為激光發(fā)射頻率。本文仿真使用激光發(fā)射頻率為f0=2*106Hz，發(fā)射周期為T0=5*10-7s。

3 表面波作用缺陷材料波形分析

本文仿真采用的復(fù)合材料為單向碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。因該材料各向異性，本文將分別討論纖維方向和纖維法向兩種情況。

圖3 等效力源位移表達(dá)式圖像

3.1 仿真使用材料屬性參數(shù)

表1 纖維方向材料參數(shù)

表2 纖維法向材料參數(shù)

如圖4所示，是表面波在材料缺陷處傳播方式示意圖。聲表面波能量沿材料表面?zhèn)鞑?，?dāng)能量傳播到缺陷最左側(cè)A點(diǎn)時，一部分能量直接發(fā)生反射作用向左傳播，產(chǎn)生第一段反射瑞利波。另一部分能量則沿AB方向繼續(xù)傳播，當(dāng)波的能量碰到B點(diǎn)時，絕大部分能量發(fā)生反射作用沿BA方向傳播，產(chǎn)生第二段反射瑞利波，剩余能量則沿BC方向傳播到D點(diǎn)之后，由于波的多次反射能量有大量損失，故此處產(chǎn)生的反射瑞利波對探針處檢測結(jié)果產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)[9]。

圖4 表面波在缺陷處傳播方式

3.2 材料缺陷深度對表面波型的影響

設(shè)置規(guī)則矩形缺陷，如圖5所示，設(shè)置網(wǎng)格大小最大值為0.08mm，用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算，在測量點(diǎn)處得到位移偏移量。選擇二維平面中的材料作為研究對象。設(shè)置材料表面與本次仿真實(shí)驗(yàn)無關(guān)的其它三個邊緣為低反射邊界，減少此處反射的能量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在距離缺陷左側(cè)8mm～9mm處設(shè)置邊界載荷，位移量隨時間變化函數(shù)圖像如圖3，由等效力源作為振動源。在距離缺陷左側(cè)4mm處設(shè)置域點(diǎn)探針（如圖6所示），用于檢測記錄材料在該點(diǎn)的位移偏移量隨時間的變化。設(shè)置生成實(shí)時云圖（如圖7所示），用于觀察材料表面各位置位移偏移量實(shí)時變化情況。

圖5 材料缺陷設(shè)置示意圖

圖6 邊界載荷和域點(diǎn)探針示意圖

圖7 位移偏移量實(shí)時云圖

設(shè)置缺陷左側(cè)距離探測點(diǎn)4mm，控制缺陷寬度為d2=1mm，改變?nèi)毕萆疃?。纖維方向材料分別設(shè)置缺陷深度為0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm的模型；纖維法向材料分別設(shè)置缺陷深度為0mm、0.3mm、0.5mm的模型。得到的位移偏移量圖像如圖8、圖9所示。通過圖像可以清楚地辨析出縱波、瑞利波、反射瑞利波等圖形，且兩種方向材料所得反射瑞利波幅值均與缺陷深度呈正相關(guān)，即缺陷深度越大，反射瑞利波幅值越大。

圖8 纖維方向計(jì)算結(jié)果

圖9 纖維法向計(jì)算結(jié)果

3.3 材料缺陷寬度對表面波型的影響

為確定材料缺陷寬度對反射瑞利波波形的影響，作深度d1=0.2mm的矩形缺陷模型，仍采用如圖5所示的模型進(jìn)行仿真，等效力源、探測點(diǎn)、缺陷左端的相對位置均不變。對于纖維方向材料分別設(shè)置缺陷寬度為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm；纖維法向材料分別設(shè)置缺陷寬度為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果如圖10、圖11所示。分析計(jì)算結(jié)果圖像可以看出，兩種材料方向的反射瑞利波波形與缺陷深度沒有相關(guān)性。對于纖維法向材料，反射瑞利波到達(dá)時間可以表征缺陷的寬度，隨著缺陷寬度增大，反射瑞利波到達(dá)時間提前。

圖10 纖維方向計(jì)算結(jié)果

圖11 纖維法向計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過有限元仿真的方法，用Comsol Multiphysics繪制了用等效力源觸發(fā)的表面波作用于缺陷后在某點(diǎn)處的位移偏移量-時間圖像，通過控制變量法改變模型缺陷的寬度和深度，觀察實(shí)施云圖監(jiān)測各位置位移量實(shí)時變化情況，通過疊加多次計(jì)算結(jié)果到一個坐標(biāo)系并觀察反射瑞利波的波形找到探測點(diǎn)位移偏移量和缺陷深度的相關(guān)性。在圖像中可以清晰地分辨出各個波形。計(jì)算結(jié)果圖像表明：碳纖維-環(huán)氧樹脂材料各向異性，對于材料纖維方向和纖維法向兩個方向，在缺陷寬度不變時，隨缺陷深度增加，反射瑞利波幅值增大；在缺陷深度不變時，材料兩種方向反射瑞利波波形與缺陷寬度無明顯相關(guān)性，但材料纖維法向反射瑞利波到達(dá)時間與缺陷深度呈負(fù)相關(guān)：缺陷寬度越大，反射瑞利波到達(dá)時間越短。