摘 要 在石英纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料平板上鉆直徑和深度不同的盲孔，模擬材料內(nèi)部的孔洞缺陷。采用數(shù)值模擬方式，建立了石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料盲孔缺陷平板試樣三維實(shí)體模型，對(duì)盲孔缺陷平板試樣紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究了盲孔缺陷大小、深度、分布等以及脈沖熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間對(duì)紅外熱成像檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，缺陷徑深比越大，最大溫差越大，最大溫差對(duì)比度越大，越容易被檢出；脈沖熱源強(qiáng)度越大和加熱時(shí)間越長(zhǎng)，最大溫差越大，缺陷越容易被檢出；最大溫差對(duì)比度不隨熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間的改變而改變，增加熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間并不能提高紅外熱成像圖像上缺陷的清晰程度。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；紅外熱成像檢測(cè)；盲孔缺陷；數(shù)值模擬

Finite Element Analysis of Infrared Thermography

Testing for Blind Holes of Quartz Fiber Reinforced

Composite Materials

XU Zhenye，LIU Zhihao，QIAN Hengkui

（The Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC， The Aeronautical Science

Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows， Ji’nan" 250023）

ABSTRACT Quartz fiber reinforced resin matrix composites drilled with the blind holes of various diameters and various depths were prepared in order to simulate defects of air voids or delaminations under the surface of the material. The three-dimensional model of quartz fiber reinforced resin matrix composite plate sample with blind hole defects was established by numerical simulation. The infrared thermal imaging detection process of the plate sample with blind holes was simulated and calculated. The influence of the size， depth and distribution of blind holes， the intensity of pulse heat source and heating time on the infrared thermal imaging detection signal was mainly studied. The results indicate that increasing in a certain range， the larger the defect diameter depth ratio is， the larger the maximum temperature difference is， the easier it is to be detected， and the larger the maximum temperature difference contrast is， the clearer it is displayed in the infrared thermal imaging. The greater the intensity and heating time of the pulse heat source， the easier the defects are detected. Increasing the intensity and heating time of the pulse heat source cannot improve the clarity of defects in the infrared thermal imaging.

KEYWORDS composite materials；infrared thermal imaging detection；blind holes；numerical simulation

1 引言

石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其組分多樣性和不均勻性，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及成型制造過(guò)程中工藝的不穩(wěn)定性，決定了復(fù)合材料在制造過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷和損傷［1］；復(fù)合材料在服役過(guò)程中由于應(yīng)力和環(huán)境載荷的影響容易導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的損傷［2］。不論是制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷還是服役過(guò)程中產(chǎn)生的損傷都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生巨大影響［3，4］。因此，采用合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料制造及使用過(guò)程進(jìn)行有效檢測(cè)，確保內(nèi)部質(zhì)量至關(guān)重要。復(fù)合材料主要的無(wú)損檢測(cè)方法有超聲波、紅外熱成像［5］、X射線［6］、聲發(fā)射、激光剪切散斑［7］等，其中紅外熱成像檢測(cè)是基于熱波理論的無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)主動(dòng)對(duì)物體施加周期或脈沖等函數(shù)形式的可控?zé)峒?lì)，使物體內(nèi)部的異性結(jié)構(gòu)（缺陷或損傷）以表面溫場(chǎng)變化的差異形式表現(xiàn)出來(lái)，采用紅外熱成像儀連續(xù)觀測(cè)和記錄物體表面的溫場(chǎng)變化，并對(duì)序列熱圖結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部異性結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和定量表征［8］。熱成像技術(shù)可以直觀的檢測(cè)出被檢對(duì)象上的熱狀態(tài)變化，具有可在役檢測(cè)［9］、非接觸、可大面積掃描檢測(cè)速度快、設(shè)備便攜等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高效、快速檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷［10］。研究學(xué)者采用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維、玻璃纖維、蜂窩結(jié)構(gòu)等常用復(fù)合材料進(jìn)行了缺陷檢測(cè)［11-15］，驗(yàn)證了紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的可行性以及適用性，取得了比較好的結(jié)果。另外紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程實(shí)質(zhì)是熱量在被檢對(duì)象內(nèi)部的熱傳遞過(guò)程，可以采用數(shù)值模擬的方式對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行分析研究，學(xué)者們采用數(shù)值模擬的方式對(duì)紅外熱成像進(jìn)行了大量研究，任鵬飛等［16］對(duì)含有缺陷的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析了缺陷深度、大小和厚度對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面熱像對(duì)比度的影響規(guī)律，許鑫［17］利用 ANSYS對(duì)玻璃纖維和高硅氧層壓板脫粘缺陷的脈沖熱像檢測(cè)法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了缺陷直徑對(duì)檢測(cè)的影響，楊正偉等［18］對(duì)影響紅外檢測(cè)的缺陷影響因素如缺陷直徑、缺陷埋深等做了模擬研究，林隆榮等［19］對(duì)復(fù)合材料平底孔缺陷的影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬。

為了系統(tǒng)研究石英纖維復(fù)合材料紅外熱成像檢測(cè)，本文采用數(shù)值模擬方式，建立了石英纖維復(fù)合材料盲孔缺陷平板試樣三維實(shí)體模型，對(duì)盲孔缺陷平板試樣紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究了盲孔缺陷大小、深度、分布等對(duì)紅外熱成像檢測(cè)信號(hào)的影響以及脈沖熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間對(duì)紅外熱成像檢測(cè)信號(hào)的影響，為后續(xù)石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2 模型建立

圖1所示為盲孔缺陷平板試樣有限元分析三維模型示意圖，圖1（a）所示為盲孔缺陷平板試樣缺陷尺寸及分布示意圖，首先制備實(shí)芯層壓板，其尺寸為420 mm×300 mm×6 mm，然后在其背面加工不同尺寸和不同深度的平底孔，用來(lái)模擬復(fù)合材料內(nèi)部孔洞缺陷。按直徑分為a、b、c、d四組：Φa=20 mm、Φb=15 mm、Φc=10 mm、Φd=5 mm，如圖1（a）所示，盲孔離檢測(cè)面的距離從左到右分別為2.5 mm、2 mm、1.5 mm、1 mm和0.5 mm。采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)盲孔缺陷平板試樣進(jìn)行了三維（3D）建模，建立了三維實(shí)體模型如圖1（b）所示，單元類(lèi)型為八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元（DC3D8），網(wǎng)格采用掃掠方式劃分，模型邊緣體單元大小為10 mm，盲孔缺陷邊緣布置不同數(shù)量的網(wǎng)格種子，從模型邊緣逐步向盲孔缺陷邊緣掃掠，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的網(wǎng)格劃分，如圖1（c）所示。盲孔缺陷平板試樣材料為玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，材料參數(shù)如表1所示。

目前，紅外熱成像檢測(cè)采用的熱激勵(lì)源為高能閃光燈，最大可發(fā)出的能量是9.6 kJ，閃光燈產(chǎn)生的光能可視為脈沖信號(hào)直接對(duì)被檢物體表面進(jìn)行加熱，閃光燈脈沖熱激勵(lì)源的曝光時(shí)間為2 ms，可視為脈沖寬度。根據(jù)紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程中熱加載情況和材料的特性，選擇有限元分析的加載方式為熱流密度加載。熱流密度表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，表達(dá)式為：

q=PS（W/m2） （1）

式中，P為熱流率（功率），S為截面面積。由公式（1）可知，通過(guò)熱流率和加熱面的有效面積就可以估算出熱流密度的大小。紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程中閃光燈加熱的總能量為9.6 kJ，能量傳播時(shí)有多種形式的損失，約為50 %，盲孔缺陷平板試樣加熱面的最大面積為0.126 m2，最小脈沖寬度為0.02 s，由公式（1）可估算熱流密度值約為2×106 W/m2。熱加載時(shí)間設(shè)置為0.002 s，與實(shí)際檢測(cè)過(guò)程的加載時(shí)間相同。

紅外熱成像檢測(cè)過(guò)程可分為2個(gè)階段，脈沖加熱階段和冷卻降溫階段，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)設(shè)置了2個(gè)分析步，第1個(gè)分析步為脈沖加熱階段，時(shí)間為0.002 s，熱流密度在此分析步中加載；第2個(gè)分析步為冷卻降溫階段，時(shí)間可根據(jù)分析計(jì)算情況進(jìn)行設(shè)置。紅外熱成像檢測(cè)一般在室溫下進(jìn)行，因此有限元分析時(shí)模型的初始溫度設(shè)置為25 ℃，脈沖加熱階段除檢測(cè)面施加熱流密度載荷外，其他表面均按絕熱邊界條件處理，冷卻降溫階段檢測(cè)面存在表面輻射和與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱，四個(gè)側(cè)面存在與周?chē)h(huán)境對(duì)流換熱，統(tǒng)一取對(duì)流換熱系數(shù)h=10 W/（m2 ·℃），分析過(guò)程中無(wú)內(nèi)部熱源。

3 結(jié)果與討論

3.1 缺陷大小和深度對(duì)紅外熱成像檢測(cè)信號(hào)的影響

圖2所示為不同時(shí)刻盲孔缺陷平板試樣表面有限元分析的溫度云圖，在0.4889 s時(shí)，缺陷a5、b5和c5首先顯現(xiàn)出來(lái)，2.464 s時(shí)，缺陷a4、b4和c4顯現(xiàn)出來(lái)，隨著時(shí)間增加，其他缺陷依次顯現(xiàn)，在14.660 s時(shí)，除d1缺陷外，其他所有缺陷均顯現(xiàn)出來(lái)，之后隨著時(shí)間再次增加，之前顯現(xiàn)出來(lái)的缺陷逐漸模糊甚至消失。從圖2溫度云圖中可見(jiàn)（以a組缺陷為例），a組缺陷顯現(xiàn)的時(shí)間為ta1gt; ta2gt; ta3gt; ta4gt; ta5，缺陷直徑相同，而深度為da1gt; da2gt; da3gt; da4gt; da5，可見(jiàn)對(duì)于相同直徑的缺陷，缺陷越深，顯現(xiàn)的時(shí)間越晚。d1缺陷未能顯現(xiàn)出來(lái)表明紅外熱成像檢測(cè)對(duì)于深度較深、尺寸較小的缺陷無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

圖3（a）所示為直徑20 mm，不同深度缺陷溫度-時(shí)間曲線，從圖中可知，每一缺陷降溫曲線分為3個(gè)階段，各個(gè)階段特征如表2所示。直徑相同，不同深度的缺陷降溫缺陷在第Ⅱ和第Ⅲ階段存在明顯差異，隨著深度的增加，降溫曲線逐漸下移，這是由于深度越小，溫度很快擴(kuò)散至底部趨于平穩(wěn)，整體溫度較高；不同直徑缺陷降溫曲線在第Ⅱ和第Ⅲ階段趨于平緩的持續(xù)時(shí)間存在明顯差異，直徑越大，缺陷顯示最清楚的時(shí)間越長(zhǎng)，在溫度云圖上顯示也越持久，這與圖2溫度云圖中不同缺陷顯示時(shí)間長(zhǎng)短變化規(guī)律一致。

圖3（b）所示為直徑20 mm，不同深度盲孔缺陷溫差-時(shí)間曲線，溫差是通過(guò)缺陷區(qū)域溫度與參考區(qū)域（如圖2（e）中紅框所示）溫度相減后獲得的。從圖中可知，相同直徑，不同深度缺陷溫差-時(shí)間曲線存在明顯差異，隨著缺陷深度的增加，溫差-時(shí)間曲線上最大溫差值在減小，最大溫差所對(duì)應(yīng)時(shí)間略有增加或近似認(rèn)為不變，即缺陷越深越難檢測(cè)。圖3（c）所示為深度1.0 mm不同直徑盲孔缺陷溫差-時(shí)間曲線，不同直徑溫差-時(shí)間曲線存在明顯差異，隨著直徑的增加，溫差-時(shí)間曲線最大溫差逐漸增大，但增大幅度逐漸減小，最大溫差所對(duì)應(yīng)時(shí)間增大，即缺陷越大越容易檢測(cè)，但當(dāng)缺陷尺寸增大至一定程度后，缺陷尺寸繼續(xù)增大檢測(cè)效果不再變化。在不同盲孔缺陷溫差-時(shí)間曲線上取最大溫差和最大溫差對(duì)比度，結(jié)果如圖4所示，最大溫差和最大溫差對(duì)比度隨直徑和深度變化規(guī)律，如表3所示。

不同相同在一定范圍內(nèi)，最大溫差隨缺陷直徑增大而增大，當(dāng)缺陷直徑增大到一定程度時(shí)，最大溫差趨于一個(gè)恒定值，這表明在一定程度上，大缺陷比小缺陷更容易被檢測(cè)到，這是由于缺陷直徑在一定范圍內(nèi)，大缺陷的熱阻大，造成更大熱量積累，更容易被檢測(cè)到；深度較深缺陷隨著直徑增大出現(xiàn)了最大溫差值減小情況，這表明最大溫差受缺陷深度影響是非單向。缺陷深度一定時(shí)，最大溫差對(duì)比度隨著缺陷直徑增大而增大，說(shuō)明缺陷直徑越大，缺陷在紅外熱成像圖像上顯示的越清晰。

相同不同缺陷最大溫差隨著缺陷深度的增加而逐漸減小，這表明距表面越近的缺陷，越容易被檢測(cè)到；從圖中還可以看出，相同深度下，直徑15 mm缺陷最大溫差存在大于直徑20 mm缺陷最大溫差的現(xiàn)象，這表明缺陷直徑和深度共同影響最大溫差的變化。缺陷直徑一定時(shí)，最大溫差對(duì)比度隨著缺陷深度增大而減小，尤其在近表面，最大溫差對(duì)比度迅速減小，說(shuō)明近表面缺陷在紅外熱成像圖像上顯示的更清晰。

圖5所示為綜合考慮盲孔缺陷直徑和深度，研究盲孔缺陷的徑深比對(duì)最大溫差和最大溫差對(duì)比度的影響，從圖5（a）中可知，隨著缺陷徑深比的增加，最大溫差逐漸增大，但徑深比增大至一定程度時(shí)，缺陷最大溫差趨于恒定值，說(shuō)明在一定程度下，缺陷直徑越大，深度越小，越容易被檢測(cè)到，此時(shí)缺陷深度對(duì)最大溫差貢獻(xiàn)較大；當(dāng)缺陷深度繼續(xù)減小，小到一定值時(shí)深度不能再減小，最大溫差變化受缺陷直徑影響變大，當(dāng)缺陷直徑更大時(shí)，熱阻更大，而熱量積累量卻相同，熱量積累過(guò)程需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，熱量才得以充分?jǐn)U散，使得缺陷表面溫度與其他試樣表面的溫度相差不大。從圖5（b）中可知，缺陷徑深比越大，缺陷最大溫差對(duì)比度越大，在紅外熱成像圖像上顯示的越清晰。

3.2 脈沖熱源強(qiáng)度和脈沖加熱時(shí)間對(duì)紅外熱成像檢測(cè)信號(hào)的影響

圖6所示為加熱時(shí)間0.002 s時(shí)，采用1×106 W/m2、2×106 W/m2、3×106 W/m2和4×106 W/m2不同脈沖熱源強(qiáng)度對(duì)盲孔缺陷平板試樣進(jìn)行加載得到的同一時(shí)刻下溫度云圖，從圖中可以看出，不同脈沖熱源強(qiáng)度下，缺陷顯現(xiàn)數(shù)量及清晰度并沒(méi)有差異；缺陷區(qū)域試樣表面的溫度存在一定的差異，脈沖強(qiáng)度越大，缺陷區(qū)域表面溫度越高。

圖7所示為熱源強(qiáng)度為2×106 W/m2時(shí)，采用0.001 s、0.002 s、0.003 s和0.004 s不同加熱時(shí)間進(jìn)行盲孔缺陷平板試樣的有限元分析獲得的同一時(shí)刻下溫度云圖。不同加熱時(shí)間下，缺陷顯現(xiàn)數(shù)量及清晰度并沒(méi)有差異；缺陷區(qū)域試樣表面的溫度存在一定的差異，加熱時(shí)間越久，缺陷區(qū)域表面溫度越高。

圖8所示為加熱時(shí)間0.002 s不同脈沖熱源強(qiáng)度下和熱源強(qiáng)度為2×106 W/m2不同加熱時(shí)間下，直徑20 mm深度0.5 mm盲孔缺陷溫度-時(shí)間曲線、溫差-時(shí)間曲線和溫差對(duì)比度-時(shí)間曲線，溫度、溫差和溫差對(duì)比度隨時(shí)間變化規(guī)律，如表4所示。

圖9所示為加熱時(shí)間0.002 s不同脈沖熱源強(qiáng)度以及熱源強(qiáng)度為2×106" W/m2不同加熱時(shí)間下，直徑20 mm深度0.5 mm盲孔缺陷最大溫差和最大溫差對(duì)比度變化曲線，結(jié)果表明如表5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在一定范圍內(nèi)，缺陷徑深比越大，最大溫差越大，最大溫差對(duì)比度越大，越容易被檢出；缺陷尺寸越大，最大溫差越大，當(dāng)缺陷尺寸增大到一定程度時(shí)，最大溫差趨于一個(gè)恒定值，大尺寸缺陷比小尺寸缺陷更容易被檢出，大尺寸缺陷在紅外熱成像圖像上更清晰；缺陷深度越大，最大溫差越小，近表缺陷容易被檢出，在紅外熱成像圖像上更清晰。

（2）脈沖熱源強(qiáng)度越大和加熱時(shí)間越長(zhǎng)，最大溫差越大，增加熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間，缺陷越容易被檢出；最大溫差對(duì)比度不隨熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間的改變而改變，增加熱源強(qiáng)度和加熱時(shí)間并不能提高紅外熱成像圖像上缺陷的清晰程度。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］

張立功，張佐光.先進(jìn)復(fù)合材料中主要缺陷分析［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2001，1（2）：42.

［2］W.J.Staszewski. Intelligent signal processing for damage detection in composite materials ［J］. Composites Science and Technology， 2002， 62： 941-950.

［3］Costa M L， Almeida S F M， Rezende M C. The influence of porosity on the interlaminar shear strength of carbon/epoxy and carbon/bismaleimide fabric laminates ［J］. Composites Science and Technology， 2001， 61 （14）： 2101-2108.

［4］Kas Y O， Cevdet K. Ultrasonic （C-scan） and microscopic evaluation of resin transfer molded epoxy composite plates［J］. Polymer Testing， 2005，24（3）：114-120.

［5］蔣淑芳，沈京玲，楊黨綱等.鋁蜂窩膠接缺陷的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2006，28（1）：23-25.

［6］楊寶剛.復(fù)合材料的射線檢測(cè)技術(shù)［J］.宇航材料工藝，2004（2）：26-28.

［7］計(jì)宏偉，邵文全，李硯明，王懷文.蜂窩紙板脫膠缺陷的檢測(cè)［J］.包裝工程，2009，30（2）：105-106.

［8］梁濤. 復(fù)合材料脫粘缺陷紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)定量分析研究［D］. 電子科技大學(xué)， 2017.

［9］華浩然，袁麗華，鄔冠華等.透射法的紅外熱波缺陷定量檢測(cè)研究［J］.紅外與激光工程，2016，45（2）： 99-104.

［10］ 朱爭(zhēng)光，袁麗華，汪江飛等.復(fù)合材料紅外熱波檢測(cè)影響因素的模擬研究［J］. 南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，31（4）： 21-27.

［11］ 李艷紅，金萬(wàn)平，楊黨綱等.蜂窩結(jié)構(gòu)的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)［J］.紅外與激光工程， 2006， 35（1）： 45-48.

［12］ S M Shepard， J R Lhota， T Ahmed， Y L Hou. Thermographic Inspection of Composite Structures ［J］. SAMPLE Journal （S0091-1062），2003， 39（5）： 53-58.

［13］ H S ling， L L Ming， Y H Qing， S Keren. NDE of composites delamination by infrared thermography ［J］. Proceedings of SPIE（S0277-786X）， 2003， 5046（1）： 219-223.

［14］ 張小川，金萬(wàn)平，張存林等.玻璃鋼平底洞缺陷試件紅外熱波檢測(cè)方法［J］. 激光與紅外， 2006， 36（1）： 16-18.

［15］ 蔣淑芳，郭興旺，沈京玲，張存林.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)［J］.激光與紅外， 2005， 35（8）： 584-586.

［16］ 任鵬飛，陳芙蓉，解瑞軍，等.碳纖維復(fù)合材料紅外無(wú)損檢測(cè)的數(shù)值分析［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，32（ 4） ：138 -140.

［17］ 許鑫.復(fù)合材料脫粘的紅外無(wú)損檢測(cè)及數(shù)值模擬［J］. 航天制造技術(shù)，2014（ 3） ：54-58.

［18］ 楊正偉，張煒，田干等.復(fù)合材料熱波檢測(cè)影響因素的數(shù)值仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（13）： 3918-3921.

［19］ 林隆榮，鐘舜聰，伏喜斌等.復(fù)合材料缺陷的脈沖熱成像有限元模擬研究［J］.機(jī)電工程，2016，33（1）：18-23.