凌 毅,涂 君,袁 寧,吳 樵,宋小春

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北武漢 430068;2.現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430068;3.中車長(zhǎng)江集團(tuán)科技開發(fā)分公司工藝研究所,湖北武漢 430212)

0 引言

在航空和冷鏈運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域,連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(continuous fiber reinforced thermoplastic composites,CFRTP)聚氨酯夾芯板因具有輕質(zhì)保溫和強(qiáng)度高的性能得到了廣泛應(yīng)用[1]。聚氨酯夾芯板由上下層CFRTP板材加中間發(fā)泡聚氨酯材料組成,經(jīng)過高壓發(fā)泡固化形成聚氨酯夾芯板。但實(shí)際發(fā)泡過程中由于固化不充分等會(huì)導(dǎo)致界面出現(xiàn)氣孔缺陷,容易出現(xiàn)力學(xué)性能劣化,將大幅縮短其服役時(shí)間[2]。因此,采用有效的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)CFRTP-聚氨酯夾芯板進(jìn)行檢查是非常有必要的[3-4]。

超聲導(dǎo)波在復(fù)合板材損傷檢測(cè)中具有較多的優(yōu)勢(shì),如長(zhǎng)距離傳播能力[5]、敏感界面變化響應(yīng)等[6]。彭博等[7]利用利用Lamb波實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層板的脫粘缺陷檢測(cè)。水平剪切波在粘接質(zhì)量檢測(cè)方面具有較好的可行性[8-9]。然而CFRTP為非金屬材料,電磁超聲法無(wú)法在其內(nèi)部激勵(lì)出超聲波?；趬弘娦?yīng)的超聲波探頭難以激勵(lì)出水平剪切波,而在板中較易激勵(lì)Lamb波。目前較多研究利用這一模式導(dǎo)波進(jìn)行復(fù)合板脫粘缺陷的檢測(cè),多層結(jié)構(gòu)頻散曲線的研究表明[10-11],Lamb波通過脫粘區(qū)域與完好區(qū)域所需要的飛行時(shí)間有所差異,王興國(guó)等[12]利用實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證,最終實(shí)現(xiàn)了不同粘接界面質(zhì)量的檢測(cè)。B.Ghose等[13]試驗(yàn)建立了Lamb波在等厚度的鋼-橡膠粘接結(jié)構(gòu)中幅值、飛行時(shí)間與脫粘的關(guān)系,但并未對(duì)不同形狀缺陷的傳播影響作出詳細(xì)闡述。

現(xiàn)有的研究對(duì)聚氨酯夾芯板這種低密度復(fù)合材料粘接質(zhì)量檢測(cè)少有報(bào)道。因此,本文利用COMSOL有限元仿真軟件,構(gòu)建CFRTP/聚氨酯復(fù)合板的Lamb波檢測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了零階非對(duì)稱模態(tài)Lamb波的激勵(lì)和傳播過程可視化,研究了聚氨酯夾芯板內(nèi)部缺陷對(duì)Lamb波的影響,為實(shí)現(xiàn)這一新型復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 聚氨酯夾芯板三維檢測(cè)模型

1.1 模型構(gòu)建

利用COMSOL仿真軟件建立聚氨酯夾芯板的Lamb波檢測(cè)三維模型如圖1所示。主要包括CFRTP板、聚氨酯板、壓電晶片和斜楔。CFRTP板和聚氨酯板的長(zhǎng)度均為160 mm,寬度均為14 mm,高度分別為1 mm和10 mm。所建立的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)位于CFRTP板的中心,X軸沿板長(zhǎng)度方向,Y軸沿板寬度方向。壓電晶片尺寸為4 mm(長(zhǎng)度)×4 mm(寬度)×0.5 mm(厚度),其貼在斜楔上。斜楔的角度可變,從而使超聲波以不同角度入射到CFRTP板。兩者的設(shè)計(jì)主要是確保在入射角度為0°時(shí),壓電晶片的中心位于原點(diǎn)上方,并且此時(shí)的0°楔塊厚度為1 mm。在模型右側(cè)聚氨酯層靠近界面處設(shè)置一個(gè)氣孔缺陷,其中心坐標(biāo)為(28,0,-3),尺寸為5 mm(長(zhǎng)度)×2 mm(寬度)×5 mm(深度)。

圖1 CFRTP-聚氨酯夾芯板三維仿真模型

模型中的CFRTP薄板纖維鋪層順序?yàn)閇0°/90°],超聲波能量的傳播會(huì)受到纖維鋪層順序的影響,通常鋪層順序?qū)α汶A對(duì)稱模態(tài)影響較大,反對(duì)稱模式影響極小[14],因此將被測(cè)薄板視為準(zhǔn)各向同性,模型的材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1 CFRTP的材料參數(shù)

表2 其余部分的材料參數(shù)

1.2 邊界條件

對(duì)模型中的所有幾何體和壓電晶片分別添加了固體力學(xué)場(chǎng)和靜電場(chǎng),在晶片的上下兩表面分別加載了接地和終端條件,終端輸出為電壓,并設(shè)置了壓電效應(yīng)這一多物理場(chǎng)耦合接口,將固體力學(xué)場(chǎng)與靜電場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)。在CFRTP板和聚氨酯板的4個(gè)側(cè)面均添加了低反射邊界,采用窄帶脈沖串電壓信號(hào)加載到壓電晶片上,終端的激勵(lì)信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

(1)

式中:f為激勵(lì)頻率,f=0.5 MHz;V0為初始電壓幅值V0=20 V;n為脈沖周期數(shù),n=5。

1.3 網(wǎng)格劃分

通常在保證仿真結(jié)果正確性的前提下,應(yīng)盡量簡(jiǎn)化網(wǎng)格尺寸,網(wǎng)格單元長(zhǎng)度與超聲波波長(zhǎng)之間一般要滿足式(2)關(guān)系[15]:

(2)

式中λmin為最小波長(zhǎng)。

由于導(dǎo)波的頻散特性,不同的頻厚積和屬性均會(huì)影響Lamb波的群速度和相速度。本文參考文獻(xiàn)[10]中的頻散曲線,按照0.5 MHz時(shí)的A0模態(tài)速度進(jìn)行計(jì)算,由式(2)得到波長(zhǎng)為10.4 mm,因此單元網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm,并設(shè)定瞬態(tài)求解的時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.1 μs。網(wǎng)格類型為自由四面體,局部網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 部分模型網(wǎng)格

2 聚氨酯夾芯板檢測(cè)仿真分析

2.1 Lamb波的激勵(lì)與傳播

為了清晰地觀察上述建立的CFRTP-聚氨酯夾芯板仿真模型中Lamb波的激勵(lì)以及傳播過程,將斜楔角度設(shè)為0°,并選取某一時(shí)刻的應(yīng)力變形分布圖。圖3為t=11 μs時(shí)刻的應(yīng)力圖,可以看出,壓電晶片在振動(dòng)后,產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)向周圍擴(kuò)散。由于本模型沿±Y方向空間有限,并設(shè)置了低反射邊界,因此該應(yīng)力波主要是向±X方向傳播。另外,應(yīng)力波主要集中在上層CFRTP板中,在聚氨酯板內(nèi)的應(yīng)力波主要發(fā)生在壓電晶片下方,隨著應(yīng)力波向兩側(cè)擴(kuò)散,聚氨酯板內(nèi)的應(yīng)力波幅值非常低,這證明了聚氨酯材料的低聲阻抗特點(diǎn)會(huì)使得界面處存在較大的反射。同時(shí),應(yīng)力波在這一時(shí)刻傳播至缺陷處,聚氨酯板內(nèi)形成了不連續(xù)應(yīng)力分布,通過繪制輔助對(duì)比線,還能發(fā)現(xiàn)缺陷處的應(yīng)力波幅值要比另一側(cè)無(wú)缺陷處略高,這也進(jìn)一步說明只有較少能量向聚氨酯層滲透,當(dāng)遇到缺陷時(shí),此部分能量會(huì)反射到CFRTP板中。

圖3 t=11 μs時(shí)刻的應(yīng)力分布圖

接下來(lái),在模型中設(shè)置一些接收信號(hào)采樣點(diǎn),包括接收點(diǎn)A(-60 mm,0 mm,0.5 mm),接收點(diǎn)B(-60 mm,0 mm,-0.5 mm)和接收點(diǎn)C(60 mm,0 mm,0.5 mm)。先觀察點(diǎn)A處分別沿X、Y、Z方向的位移,作為接收信號(hào)幅值,結(jié)果如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn),板內(nèi)位移以X方向和Z方向?yàn)橹?Y方向位移幾乎為0,并且信號(hào)波形與在壓電晶片上加載的激勵(lì)信號(hào)一致,這證明了所激勵(lì)出來(lái)的應(yīng)力波為超聲Lamb波。另外,通過對(duì)比點(diǎn)A與點(diǎn)B處的Z方向信號(hào),兩者幅值相等,方向相同,則這部分為非對(duì)稱型Lamb波成分;進(jìn)一步對(duì)比點(diǎn)A與點(diǎn)B處的X方向信號(hào),兩者幅值相等,方向相反,則這部分為對(duì)稱型Lamb波成分。顯然,非對(duì)稱型Lamb波成分振幅為對(duì)稱型Lamb波成分振幅的2倍。

圖4 X、Y、Z方向位移分布

進(jìn)一步,對(duì)比點(diǎn)A和點(diǎn)C的Z方向信號(hào),結(jié)果如圖5所示。顯然,由于缺陷的存在,使得點(diǎn)C處接收的信號(hào)幅值要比點(diǎn)A處高約5%,證明聚氨酯板中的氣孔缺陷確實(shí)會(huì)引起接收信號(hào)幅值增強(qiáng)。同時(shí),傳播時(shí)間也減少了0.1 μs,這主要是由于聚氨酯材料的聲速較低,從而降低了超聲波在復(fù)合材料中的傳播速度。一旦遇到缺陷,則超聲波僅在單層CFRTP板中傳播,速度會(huì)加快。

圖5 無(wú)缺陷和缺陷處的接收信號(hào)對(duì)比

2.2 入射角的選擇

上述研究是在斜楔角度為0°情況下開展的,為了分析其他入射角時(shí)的激勵(lì)與傳播特性,在模型中分別設(shè)置壓電晶片的傾斜角度為30°、45°和60°。所有情況下入射點(diǎn)都位于模型的中心,仍按照?qǐng)D3所示分別提取點(diǎn)C處的Z方向接收信號(hào)。為了更直觀地看出接收信號(hào)隨入射角的變化情況,直接獲取信號(hào)的峰峰值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6所示。顯然,當(dāng)壓電晶片入射角為0°時(shí),接收信號(hào)的能量最大,其他角度下的信號(hào)幅值變化不大。因此,為確保對(duì)缺陷檢測(cè)具有較高的分辨率,后續(xù)研究仍然采用0°入射方式產(chǎn)生Lamb波。

圖6 不同入射角下的接收信號(hào)比較

2.3 不同大小缺陷的仿真試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究不同大小缺陷的檢測(cè)規(guī)律,在模型中將缺陷的長(zhǎng)度、寬度和深度分別作為變量進(jìn)行仿真計(jì)算。入射角為0°,所有仿真試驗(yàn)均提取點(diǎn)C處的接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。首先設(shè)置缺陷的寬度和深度均為5 mm,將缺陷長(zhǎng)度分別設(shè)置為0、10、20、30 mm,結(jié)果如圖7(a)所示。可以看出,隨著缺陷長(zhǎng)度的增長(zhǎng),接收信號(hào)幅值單調(diào)遞增,并且峰值時(shí)間也不斷縮短。然后保證缺陷長(zhǎng)度10 mm不變,寬度為5 mm,深度按照2 mm步長(zhǎng)從2 mm至8 mm變化。采用接收信號(hào)峰峰值比較,對(duì)比結(jié)果如圖7(b)所示,顯然,當(dāng)深度達(dá)到4 mm以后,接收信號(hào)幅值基本不變。這說明CFRTP板中的Lamb波向聚氨酯層滲透的深度是有限的。最后,缺陷長(zhǎng)度和深度分別設(shè)置為10 mm和5 mm,寬度按照2 mm步長(zhǎng)從2 mm至8 mm變化。從圖7(b)可以看出,接收信號(hào)會(huì)隨缺陷寬度加大而不斷增加。

(a)不同缺陷長(zhǎng)度下的接收信號(hào)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述檢測(cè)方法的有效性,搭建了如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中,待測(cè)聚氨酯夾芯板為實(shí)際生產(chǎn)的樣板,表面為1 mm的CFRTP板,中間是經(jīng)過發(fā)泡固化形成的聚氨酯。試驗(yàn)主要采用Ritec-5000脈沖發(fā)生器完成,在發(fā)射端串入RT-50阻抗匹配電阻,將中心頻率為0.5 MHz的超聲波探頭(型號(hào)為OLYMPUS V101-RB)分別接入發(fā)生器的發(fā)射和接收通道,實(shí)驗(yàn)結(jié)果在DPO-3012示波器顯示并保存,為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)為多次重復(fù)完成。

圖8 聚氨酯夾芯板檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先,對(duì)不同長(zhǎng)度的缺陷(10、20、30 mm)分別進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),缺陷深度和寬度均為15 mm,所有試驗(yàn)中探頭中心間距保持為100 mm不變,探頭分別置于缺陷的兩側(cè),記錄下接收探頭的信號(hào)幅值,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯鲭S著缺陷長(zhǎng)度的增大,Lamb波從CFRTP泄漏至聚氨酯泡沫的能量減少,從而接收信號(hào)的幅值不斷增加。

圖9 不同長(zhǎng)度缺陷的實(shí)驗(yàn)信號(hào)

然后,保持長(zhǎng)度和深度均為15 mm,制作不同寬度(10、15、20、25 mm)的缺陷,記錄不同情況下接收信號(hào)的峰峰值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖10(a)所示。可以看出,因缺陷寬度引起的幅值變化幾乎呈線性增加,這是由于缺陷寬度變化直接改變了傳播路徑上的粘接面面積,使得Lamb波的泄漏能量隨著寬度增加而減少。最后,保持長(zhǎng)度和寬度均為15 mm,按照1 mm的間隔從1 mm至6 mm制作不同深度的缺陷,接收信號(hào)峰峰值對(duì)比結(jié)果如圖10(b)所示。顯然,缺陷深度在3 mm以內(nèi),接收信號(hào)幅值不斷增長(zhǎng)。當(dāng)缺陷深度達(dá)到3 mm以后,幅值變化急劇減小,最后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)槿毕萆疃鹊母淖兞咳粼诓ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi),缺陷對(duì)Lamb波的影響較為明顯。一旦缺陷深度超過波長(zhǎng),Lamb波繼續(xù)向下滲透能量較少,幅值變化就不再明顯,試驗(yàn)的結(jié)果與前面仿真的結(jié)論是一致的。

(a)不同缺陷寬度下的接收信號(hào)

4 結(jié)論

本文使用同側(cè)超聲Lamb波檢測(cè)技術(shù)對(duì)表面為CFRTP材料的聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)展開研究,該方法可較好地應(yīng)用于多層結(jié)構(gòu)界面附近氣孔缺陷的檢測(cè)。

(1)采用COMSOL有限元軟件建立了基于壓電效應(yīng)的CFRTP-聚氨酯復(fù)合板多物理場(chǎng)耦合檢測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波激勵(lì)和傳播過程的可視化;

(2)利用仿真模型計(jì)算結(jié)果,證明了用壓電晶片在垂直激勵(lì)下產(chǎn)生的是Lamb波,且非對(duì)稱型Lamb波成分振幅要更高一些。

(3)利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式,證明了聚氨酯夾芯板內(nèi)部缺陷會(huì)引起Lamb波接收信號(hào)幅值和傳播時(shí)間發(fā)生變化,以幅值變化較為明顯。其中,缺陷長(zhǎng)度和寬度越大,接收信號(hào)幅值越高;缺陷深度在波長(zhǎng)范圍內(nèi)增加,信號(hào)幅值增強(qiáng),超過波長(zhǎng)范圍,則幅值不再變化。