浅析碳纤维构件的涡流热成像损伤检测

发表时间:2019/4/4   来源:《知识-力量》2019年7月上   作者:严明忠
[导读] 本文简要论述了碳纤维构件的涡流热成像损伤检测方法科学意义和应用前景、研究的内容、特色与创新之处等,有一定的实用价值和意义。

(福建师范大学福清分校电子与信息工程学院,福建 福清 350301)
基金项目:福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JAT170666)
摘要:本文简要论述了碳纤维构件的涡流热成像损伤检测方法科学意义和应用前景、研究的内容、特色与创新之处等,有一定的实用价值和意义。
关键词:无损检测;碳纤维;构件;涡流热成像

 
        电磁检测技术是一种具有代表性的无损检测技术,具有灵敏度高、速度快、效率高等优点,是对导电及铁磁材料工件实施表面检测的首选方法,在航空、航天、核工业、铁路、机械、冶金等行业中发挥着重要作用。
        一、研究意义
        检测效率较低和检测范围较小是当前工业无损检测技术在走向实际应用中面临的主要问题。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)是一种先进的复合材料,具有比强度高、比刚度高、重量轻、耐腐蚀性好、热膨胀系数低和可设计性强等诸多优点,近年来在工业领域逐渐得到广泛应用。在碳纤维复合材料的制造过程中,其在线质量控制要求无损检测技术能够实现大面积快速连续检测。而现有电磁检测技术大多采用线圈或固态器件作为传感器,限制了检测效率的提高。为了提高效率,不得不采用线阵列涡流探头,由此增加了系统的复杂性和不适应性。此外,受集肤效应和电磁场衰减的影响,检测深度较小,也是限制电磁检测技术实际应用的一个重要因素。
        检测与监测技术将成为CFRP推广和应用的制约因素。CFRP在生产和使用过程中容易产生不同类型的损伤,如纤维断裂(Fracture)和分层(Delamination)。这些损伤是和CFRP的结构紧密相关的。如图1(a)所示,CFRP 每一层含有碳纤维结构和基体,每一层的碳纤维可以为网状结构(编织),也可以为同向排列结构。同向排列情况下,相邻层之间的碳纤维走向不同,通常呈0°/45°/90°/135°循环排列。由此可知,碳纤维复合材料层压板的细观结构是一个复杂的多相体系,而且是不均匀和多向异性的。在制造、组装或使用过程中,CFRP容易出现纤维断裂,如图1(b)所示。在外载荷(静力或动力)作用下,还容易产生层间分层损伤,如图1(c)所示。这些分层损伤会使层压板发生局部屈曲,进而引起分层扩展,造成承载能力下降甚至丧失。CFRP材料及相关构件的状态检测是结构健康监测的关键。但是,针对CFRP的工作状态、破坏和退化及其相关的检测与监测技术尚处于初级研究阶段。相关的检测与监测技术是了解现有CFRP和 CFRP构件服役期健康状态的关键技术,而相关研究的缺乏必将留下安全隐患,制约CFRP及其构件在实际工程中的推广应用。


 
        图1.碳纤维复合材料层压板的结构
        二、最终要解决的科学技术问题和应用前景、效益分析
        1.解决的科学技术问题
        1)损伤对CFRP多物理场的影响规律。研究CFRP中损伤分布与变化对涡流场/温度场等多物理场分布的影响规律,有助于揭示表面热异常信息的形成和传递机理,是CFRP在役构件的缺陷检测与监测理论基础中的关键科学问题;
        2)检测信号的物理本质和参数分离。研究不同涡流激励(脉冲激励或锁相激励)下检测信号的物理本质,分离有用参数,实现缺陷深度和材料属性等物理量的准确测量,是实现损伤定量评估中的关键科学问题;
        三、研究方法和技术路线(包括理论分析、实验方法和步骤,技术关键及其解决办法)
        1.研究方法
        1)CFRP涡流热成像检测中多物理场耦合和热异常产生机理的研究
        多物理场的耦合机理和热异常产生机理是涡流热成像缺陷检测识别与评估的理论基础。涡流热成像的基本原理如图2所示:首先,采用载有交流电的感应线圈在导体材料表面或内部感应出涡流;其次,部分涡流将转化为焦耳热,并向被检物体内部传递;最后,采用红外热像仪记录材料表面的温度变化,就可以获得材料表面和内部的缺陷信息。由此可见,该技术是以感应涡流加热、热传递及红外辐射等物理过程为基础。


 
         式中,f是激励电流频率,σ是材料的电导率(S/m),μ是材料的磁导率(H/m),α是热扩散系数,t是加热之后的观测时间。如图4所示,根据缺陷的不同位置,对应的方法可归纳为:①当缺陷处于集肤深度之内时,宜采用涡流场扰动的方法进行;②当缺陷处于集肤深度之外,热波透入深度之内时,宜采用热传递的方法进行。CFRP宏观上呈现较小的电导率,集肤深度会较大。所以,CFRP中的损伤既对涡流有影响,也对热传递有影响,呈现比较复杂的状态。针对CFRP的这种特点,拟通过理论分析与三维有限元模型相结合的方法,阐明不同深度、不同性质的损伤(包括局部分层、纤维断裂)对涡流场和热传递的扰动机制,并揭示损伤尺寸、CFRP材料属性变化等因素对表面温度场的影响规律,有助于后期对检测信号的数据挖掘和材质属性的测量。当CFRP作为加固材料或与其它材料混合使用时,理论分析和所建立的有限元模型还必须考虑基底材料属性的不同对涡流场和热传递造成的影响。
参考文献
[1]任吉林,林俊明,电磁无损检测, 科学出版社,北京,2008.
[2]沈观林,胡更开,刘彬,复合材料力学(第2版),清华大学出版社,北京,2013.
[3]徐可北,周俊华,涡流检测, 机械工业出版社,北京,2004.
[4]李戈岚,复合材料结构分层损伤研究,飞机设计,pp.26-34, 1999
[5]L.Bai,S.Tian,Y.Cheng,G.Y.Tian, Reducing the Effect of Surface Emissivity Variation in Eddy Current Pulsed Thermography,IEEE Sensors Journal,14(2014) 1137-1142
[6]潘孟春,何赟泽,陈棣湘,涡流热成像检测技术,国防工业出版社,北京,2013.

作者简介:严明忠,男,福建福清人,福建师范大学福清分校电子与信息工程学院高级讲师,工程硕士。
 
 

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