吳嘉俊

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴陽(yáng) 550014）

1 針對(duì)孔洞損傷的檢測(cè)方案

1.1 Ansys 有限元模型的建立

在Ansys 軟件上建立的無(wú)損傷碳纖維正方形板的3D 實(shí)體模型，碳纖維模型的長(zhǎng)和寬均為0.5m，厚為4×10-2m。單元類型定義為“SOLID226”。定義碳纖維模型的密度為1800Kg/m3，彈性模量為230GPa，泊松比為0.28，電阻率為0.003Ω/m[1]。

1.2 布置電極并獲取數(shù)據(jù)

以單個(gè)偏心圓形缺陷模型為例，劃分好網(wǎng)格后，在正方形板的正面四條邊上均勻的布置電極，共布置16個(gè)電極，每條邊4 個(gè)電極。

本設(shè)計(jì)采用的是前面已經(jīng)介紹過(guò)的相鄰激勵(lì)法，利用Ansys 中的循環(huán)命令流施加激勵(lì)電流，每一次循環(huán)中記錄16 個(gè)數(shù)據(jù)，共循環(huán)16 次，將最終得到的256 組數(shù)據(jù)存入到指定txt 文件中，完成數(shù)據(jù)收集的任務(wù)[2]。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，首先激勵(lì)相鄰的3204 號(hào)與3214 號(hào)電極，然后分別采集3204-3214、3214-3224、3224-3234……3373-3383、3383-3204 之間的電壓值并記錄下來(lái)。

1.3 MATLAB 處理數(shù)據(jù)并反演成像

為了方便導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)MATLAB，在上一步中得到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一系列操作將256 組數(shù)據(jù)在Excel 中變成256*1 的矩陣。

在MATLAB 軟件中，利用基于MATLAB 編寫的EIDORS 圖形重建軟件包，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像建模[3]。最終可以反演碳纖維板不同缺陷的反演圖像。

2 單個(gè)孔洞損傷反演成像結(jié)果對(duì)比

2.1 中心位置圓形孔洞

在正方形板中心位置有半徑為0.04m 的圓形孔洞損傷。當(dāng)正則化系數(shù)h＜0.05 或h＞0.07 時(shí)，反演圖像只能顯示圓形缺陷的大概位置以及大致大小，即與實(shí)際相差過(guò)大。當(dāng)正則化系數(shù)h=0.065 時(shí)，有較好反演效果，即顯示出實(shí)際缺陷大致形狀與大小。正則化參數(shù)的合理區(qū)間為0.05～0.07，在此區(qū)間都能得到一個(gè)良好的反演圖像，具有良好的介質(zhì)分布空間識(shí)別能力。

2.2 偏心位置圓形孔洞

在正方形板有一個(gè)偏心，半徑為0.04m 的圓形孔洞損傷，電極布置如圖2.2 所示。

圖2.2 偏心位置圓形孔洞電極布置圖

對(duì)于偏心位置圓形缺陷，以上反演圖像都能反映出實(shí)際缺陷所在方位，但無(wú)法較準(zhǔn)確地反映出實(shí)際缺陷的大小，尤其是當(dāng)正則化系h≥0.03 時(shí)，反演出的圖像在整個(gè)左上角方位都有顯示。當(dāng)正則化系數(shù)h＜0.03 時(shí)，隨著系數(shù)越來(lái)越小，所反映的大致位置和大小就越來(lái)越準(zhǔn)確。

3 兩個(gè)孔洞損傷反演成像結(jié)果對(duì)比

3.1 對(duì)角偏心圓形缺陷

如圖3.1 所示，在正方形板上有兩個(gè)偏心、處于對(duì)稱位置、半徑均為0.04m 的圓形孔洞損傷。

圖3.1 對(duì)角偏心圓形缺陷電極布置

將圓形缺陷的數(shù)量提升一倍后，反演程序仍能較為準(zhǔn)確地成像出處于對(duì)角位置的兩個(gè)偏心圓形缺陷。可以看到，對(duì)于正則化系數(shù)為0.01、0.03、0.05、0.07 的成像圖，僅僅能反映出大致的位置，不能將兩個(gè)圓形缺陷的大小體現(xiàn)在成像圖中。

3.2 對(duì)角偏心不同大小圓形缺陷

如圖3.2 所示，在正方形板上有兩個(gè)偏心、半徑分別為0.04m 和0.03m 的圓形孔洞損傷。

圖3.2 對(duì)角偏心不同大小圓形缺陷模型

針對(duì)兩個(gè)不同大小的缺陷，可以看出以上成像圖都能較好反映出兩個(gè)缺陷的相對(duì)位置以及大致大小。當(dāng)h≥0.05 時(shí)，小圓缺陷則不那么明顯，說(shuō)明正確選擇一個(gè)合適的正則化系數(shù)對(duì)于反演圖像的重建有著至關(guān)重要的作用。這說(shuō)明如果h 較大，雖然可以提高求解過(guò)程的穩(wěn)定性，但會(huì)造成解與原問(wèn)題的解之間存在過(guò)大偏差。

3.3 同側(cè)不同大小圓形缺陷

如圖3.3 所示，在正方形板上有兩個(gè)處于同側(cè)位置、半徑分別為0.04m 和0.03m 的圓形孔洞損傷。

圖3.3 同側(cè)不同大小圓形缺陷模型

對(duì)于同側(cè)不同大小的兩個(gè)圓形缺陷，當(dāng)正則化系數(shù)為0.009、0.01、0.02、0.03 時(shí)，程序反演得到的成像不能很好判斷是兩個(gè)缺陷。當(dāng)正則化系數(shù)越來(lái)越小時(shí)，對(duì)同側(cè)不同大小損傷的分布情況有較好的成像表現(xiàn)。但是圓形缺陷的形狀輪廓變得不那么明顯，這說(shuō)明正則化系數(shù)不是越小越好，最合適的正則化系數(shù)也不能僅僅通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。

4 各向異性對(duì)損傷檢測(cè)的影響

4.1 單個(gè)偏心位置孔洞

對(duì)于單個(gè)偏心位置孔洞的損傷檢測(cè)，當(dāng)X 方向和Y方向的電阻率呈現(xiàn)各向異性時(shí)，基于EIDORS 電阻層析成像技術(shù)反演出的圖像不能精確地確定場(chǎng)域中的異常電阻率區(qū)的位置，整個(gè)正方形板中電阻率高的地方有明顯的變化，這將導(dǎo)致檢測(cè)方案無(wú)法初步測(cè)定場(chǎng)域中的非正常電阻率區(qū)的外形輪廓。如圖4.1 與4.2 所示，無(wú)法判斷碳纖維板上缺陷的實(shí)際外形輪廓，這說(shuō)明材料的各向異性對(duì)于損傷檢測(cè)方案有明顯的影響。

4.2 單個(gè)中心位置孔洞

以單個(gè)中心位置孔洞為例，通過(guò)Ansys 設(shè)置X 方向的電阻率保持為0.003Ω/m 不變，Y 方向的電阻率分別設(shè)置為0.01Ω/m 和0.02Ω/m，然后查看反演所得到的圖像與電阻率均為0.003Ω/m 所反演的圖像的區(qū)別，研究各向異性對(duì)損失檢測(cè)的影響。當(dāng)材料的各向異性程度過(guò)大時(shí)，既不能判斷碳纖維板上缺陷的實(shí)際外形輪廓，也不能判斷碳纖維板上缺陷的大致位置，這對(duì)實(shí)際碳纖維損傷檢測(cè)方案設(shè)計(jì)的影響是巨大的，因此需要進(jìn)一步研究電阻層析成像技術(shù)在各向異性條件中損傷檢測(cè)能力，這對(duì)實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)方案的實(shí)際應(yīng)用具有極大的意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種綜合應(yīng)用有限元模型、電阻成像技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型孔洞損傷的高精度檢測(cè)，并且在單個(gè)孔洞損傷反演成像結(jié)果對(duì)比中觀察到了中心位置圓形孔洞和偏心位置圓形孔洞的成像性能差異，為不同損傷模式的識(shí)別提供了依據(jù)。進(jìn)一步探討了兩個(gè)孔洞損傷情況下的反演成像，包括對(duì)角偏心圓形缺陷、對(duì)角偏心不同大小圓形缺陷以及同側(cè)不同大小圓形缺陷，這些研究結(jié)果揭示了多重?fù)p傷情況下的成像特性。綜合而言，本研究所提出的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方案為材料損傷檢測(cè)領(lǐng)域提供了新的方法和深入理解，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和維護(hù)領(lǐng)域提供了有力支持，未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化該方案，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。