编织复合材料低速冲击损伤超声热成像检测.pdf

第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 876 无损检测 编织复合材料低速冲击损伤超声热成像检测 李 胤1，宋远佳1，江海军2，陈 飞2，张 凯2（1.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000；2.南京诺威尔光电系统有限公司，江苏 南京 210014）摘要：编织复合材料低速冲击损伤主要为内部的分层损伤，采用目视检测无法有效检测损伤，损伤使得结构承载能力严重降低，威胁编织复合材料构件的安全使用。本文使用超声红外热成像技术对编织复合材料低速冲击损伤进行无损检测研究，使用 10 J、20 J、30 J、40 J、50 J 的冲击能量制作了 5 个试件。对超声激励过程的温升曲线、空间温度曲线进行了详细分析；对比不同冲击能量试件发现，低速冲击下损伤主要是内部损伤，冲击能量越大，损伤区域越大，且损伤具有延展性。采用曲线分类算法对损伤区域进行了定量识别，发现编织复合材料损伤面积和冲击能量成线性关系。关键词：超声红外热成像；编织复合材料；低速冲击损伤；无损检测 中图分类号：V45 文献标志码：A 文章编号：1001-8891(2023)08-0876-08 Low-velocity Impact Damage Detection of Woven Composites Based on Ultrasonic Infrared Thermography LI Yin1，SONG Yuanjia1，JIANG Haijun2，CHEN Fei2，ZHANG Kai2(1.China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China;2.Novelteq Ltd.,Nanjing 210014,China)Abstract:Low-velocity impact damage of woven composites is mainly caused by internal delamination damage,which cannot be effectively detected by visual inspection;this seriously reduces the structural load-bearing capacity and threatens the safe use of the compiled composite components.In this study,ultrasonic infrared thermography was used to perform nondestructive testing of the low-velocity impact damage of woven composites,and five specimens were produced using impact energies of 10,20,30,40,and 50 J.The temperature increase and space temperature curves of the ultrasonic excitation process were analyzed.By comparing different impact energy specimens,it was found that the damage under low-speed impact was mainly internal,and the larger the impact energy,the larger the damage area.Moreover,the damage was ductile.The damage area was identified quantitatively using a curve classification algorithm.It was found that the damage area of woven composites and the impact energy were linearly correlated.Key words:ultrasonic infrared thermography,woven composites,low-velocity impact damage,nondestructive testing 0 引言 编织复合材料是由碳纤维材料为增强体，以环氧树脂为基质，由不同方向纤维铺层叠加组成的新型复合材料，其具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、耐老化、耐热性的优点。编织复合材料由于制造成本低、生产效率高、机械性能突出、具有纤维互锁的网状结构1。编织复合材料在制造和适用过程中会碳纤维复合材料实现轻量化的同时，还能提供产品相当的安全性和可靠性，已被广泛应用于航空航天、汽车、轮船、收稿日期：2022-04-19；修订日期：2022-04-26.作者简介：李胤（1990-），男，博士，工程师，主要从事结构检测与性能评估工作。E-mail：DIYLLLLY。通信作者：江海军（1988-），男，硕士，高级工程师，主要从事红外无损检测技术研发工作。E-mail：。基金项目：国家自然科学基金（52005495）；中国空气动力研究与发展中心基础和前沿技术研究基金（PJD20200223）。第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 李 胤等：编织复合材料低速冲击损伤超声热成像检测 Aug.2023 877 运动器械等2-4。NASA喷气发动机风扇机匣、波音787飞机风扇机匣都采用的是编织复合材料。复合材料结构是由纤维铺层叠加而成，在面临碰撞和冲击时，纤维和纤维之间都是由基体传递载荷，冲击容易造成材料基体开裂、分层、脱粘等缺陷，编织层压板冲击损伤模式主要是层间分层，不会出现纤维劈裂等损伤模式5。在结构表面看不出来损伤缺陷，目视检测也无法检测出缺陷信息，但其内部可能因瞬时冲击能量的吸收，产生了严重的损伤，使得材料结构失效、材料性能降低，对结构承载能力造成大幅度下降6-7。因此，有效及时检测编织复合材料内部损伤或缺陷情况，对于保证复合材料结构件可靠性具有重要的意义。超声红外热成像技术以超声作为热激励源，激励过程中仅界面类缺陷或闭合裂纹发热，正常区域不发热，属于选择性激励方式，更适合于不规则形状材料界面缺陷或闭合裂纹检测。因此目前超声红外热成像技术主要应用在对金属裂纹的检测8-11。韩梦12等采用超声红外热成像对铝金属的疲劳微裂纹进行检测，微裂纹最小宽度为 20 m；习小文13等采用超声红外热成像技术对航空发动机叶片裂纹进行检测，最小检测裂纹宽度为 0.5 m。G.Busse 等14最早将超声红外锁相热成像检测技术引入到复合材料界面类缺陷检测。田干等15采用超声红外热成像技术对航空复合材料进行数值仿真研究，建立含裂纹缺陷复合材料的有限元模型；金国锋、张炜等16-17通过数值计算和试验研究了超声红外热成像技术对复合材料冲击损伤检测的适用性；李胤等18采用超声红外热像检测对复合材料层合板 24 J 和 29 J 冲击损伤进行检测研究，并与超声 C 扫进行对比，结果表明超声红外热像检测可检测出复合材料不同损伤形式，并且比超声 C 扫检测速度快、检测精度高。目前对冲击能量损伤研究大部分基于 1 个或 2 个冲击能量对复合材料损伤的研究，为了解不同冲击能量对编织复合材料损伤及扩展情况，采用 10 J、20 J、30 J、40 J、50 J 冲击能量对不同编织复合材料进行冲击，并对冲击过程中的冲击能量-时间曲线进行了记录，采用超声红外热成像技术对不同冲击能量损伤试件进行检测与分析。1 基本原理 1.1 超声热成像技术的检测原理 超声红外热成像技术是将超声波激励和红外热成像两者结合的新型无损检测方法，属于主动式红外无损检测方法的一种。超声红外热成像技术的检测原理如图 1 所示，是通过将高频超声波（2040 kHz）耦合注入待测试件，超声波经过界面耦合在试件中传播，在超声波的作用下，试件缺陷由于塑性变形、摩擦作用、粘弹性效应等产生热量，使得裂纹、损伤区域温度升高，在热传导作用下，其裂纹或损伤位置对应的试件表面温度也相应的升高，利用红外热像仪采集试件表面的红外热序列图像，对红外序列图像进行处理便可得到其内部缺陷信息。相较于其他激励方式的红外热成像技术，例如：闪光灯激励、红外灯激励、激光激励等，这些激励方式都属于面激励，不论是缺陷区域还是无缺陷区域，试件表面被整体加热，表面吸收的能量通过热传导到试件内部，遇到隔热性缺陷时，热波反射回表面。超声红外热成像技术是对试件局部加热，其仅对缺陷的区域进行加热，无缺陷区域不进行加热，属于选择性加热方式，在超声激励下产生相对位移的缺陷区域温度都将升高，相当于是体加热方式，并且从缺陷区域通过热传导的方式传播到试件表面，仅传播了单次的距离。图 1 超声红外热成像技术原理 Fig.1 Principle of ultrasonic infrared thermal imaging technology 1.2 超声热成像技术的检测原理 超声波在试件内界面缺陷处衰减产生热量，缺陷处则成为热源。由此可知，超声波激励产生的热流率q 的传播满足热传导方程：222222+=xyzTTTTkkkqcxyzt (1)式(1)中：T 为温度，；kx、ky、kz分别为在三个维度上的导热率，W/(m)；为密度，kg/m3，c 为比热容，J/(kg)。热传导方程(1)的初始条件为：T(x,y,z,t)T0 t0 (2)式(2)中：T0为环境温度，。热传导方程支配热传导及其扩散过程，试件检测过程时间比较短，表面温度变化比较小，忽视试件表面对流和热辐射，则：第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 878 20()(0)Tq ttTT (3)式(3)中：为热扩散率，m2/s；2为拉普拉斯算子，2222222=xyz 分别对上式进行关于空间(x,y,z)的傅里叶变换得到：20d(,)d(,0)fffffTTqttTT (4)式(4)中：qf为对生热率 q 作温度 T 的傅里叶变换；为傅里叶变换过程中的中间变量，没有特殊的物理含义；Tf为对温度 T 的傅里叶变换。常微分方程的解析解为：22()00(,)e(,)edtfftftTtTqt (5)对 Tf(,t)进行傅里叶反变换得到：33 0 0,(,)dd,(,)dR xtfR xT X tTK XtK Xtq (6)式(6)为超声波在试件内界面缺陷热源公式，式子表示，热源公式是一个复杂函数表达式。2 试验与结果分析 2.1 碳纤维复合材料冲击损伤 试验用的碳纤维复合材料是 T700 编织复合材料层压板，编织技术制造网格状堆叠而成，铺层方式为45/90/45/0，经过浸渍固化直接形成复合材料结构，试件共 5 件，试件尺寸均为 150 mm100 mm4 mm，对 5 件试件进行冲击试验，冲击能量分别是 10 J、20 J、30 J、40 J、50 J，冲击能量-时间曲线如图 2 所示，冲击后试件光学图像如图 3 所示，图 3(a)为试件正面，为冲击面，图 3(b)为试件背面，光学图像上很难看到试件表面有损伤。图 2 冲击能量-时间曲线 Fig.2 Impact energy-time curves 2.2 超声热成像检测系统 超声红外热成像系统如图 4 所示，系统主要包括超声激励电源、超声枪、红外热像仪、夹具、图像处理和控制系统。超声枪包括换能器、调幅器、工具杆，(a)试件正面 (b)试件背面(a)Front of specimen (b)Back of specimen 图 3 冲击后试件光学图像 Fig.3 Optic