基于超聲熱波技術(shù)的復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)研究①

張 煒，羅文源，2，王冬冬，楊正偉，田 干

(1.第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025，2.63612部隊(duì)，酒泉 736100)

0 引言

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度和較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，已成為航空航天等領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料［1］。但復(fù)合材料對(duì)沖擊作用較敏感，即使在沖擊能量較低、結(jié)構(gòu)外表面沒有明顯損傷的情況下，也會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生基體開裂、纖維斷裂和分層等損傷，大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力［2－3］。因此，對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷無(wú)損檢測(cè)理論和技術(shù)的研究，一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。超聲熱波技術(shù)是一種將超聲波能量作為熱激勵(lì)源，引起材料表面或者淺表面損傷部位生熱，同時(shí)使用紅外熱像儀獲取紅外熱圖像進(jìn)行定性定量分析的無(wú)損檢測(cè)方法，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)該技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注［4－10］。

目前，基于超聲熱波方法的復(fù)合材料沖擊損傷研究主要運(yùn)用試驗(yàn)研究的方法，取得了一些有意義的成果。希臘學(xué)者Avdelids N P利用脈沖熱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)飛行器復(fù)合材料進(jìn)行評(píng)估，對(duì)炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板、蜂窩結(jié)構(gòu)、夾心三明治結(jié)構(gòu)［11］以及新興GLARE玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金材料［12］的沖擊損傷進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱波無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)單板復(fù)合材料或夾心三明治結(jié)構(gòu)表面及前表面附近的缺陷都可有效檢測(cè)，且能直觀準(zhǔn)確地反映出結(jié)果，但缺陷的深度和大小對(duì)檢測(cè)結(jié)果的好壞影響較大。印度科學(xué)院航天工程部的Ravikiran N K等［13］利用超聲C掃技術(shù)和紅外熱波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)T300/914C炭纖維層壓板沖擊損傷進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)估。研究表明，超聲C掃可對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷進(jìn)行定量檢測(cè)，可較精確地檢測(cè)出損傷的擴(kuò)展過(guò)程，而熱波檢測(cè)也可通過(guò)熱圖對(duì)損傷及擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行定性檢測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是可在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)快速在線檢測(cè)，但精確定量方面不如超聲C掃。代永朝等［14］基于紅外熱成像方法，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在低能沖擊下，主要損傷形式為層間分層，并伴有基體裂紋和纖維斷裂等損傷，損傷形狀主要為啞鈴形;對(duì)于厚約4 mm的炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，沖擊能量達(dá)到約20 J時(shí)，其損傷擴(kuò)展到背面，而熱波方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效檢測(cè)。首都師范大學(xué)的蔣淑芳［15］、馮立春［16］，北京航空航天大學(xué)的李曉霞等［17］對(duì)炭纖維層壓板沖擊損傷進(jìn)行了脈沖熱波檢測(cè)，并用超聲C掃進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)沖擊損傷的長(zhǎng)軸沿著纖維的鋪層方向，在材料內(nèi)部損傷繞沖擊點(diǎn)沿纖維方向呈旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行擴(kuò)散，對(duì)于低速?zèng)_擊后的炭纖維層合板，熱波方法是一種有效、可靠的無(wú)損檢測(cè)方法。北京航空航天大學(xué)的王成亮和楊波［18］對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷的超聲紅外檢測(cè)。研究表明，超聲熱波檢測(cè)方法可以有效檢測(cè)復(fù)合材料沖擊損傷，相對(duì)于其他邊緣檢測(cè)方法，非高斯核函數(shù)的LBF模型可更好地檢測(cè)低對(duì)比度紅外熱圖的目標(biāo)邊緣。Naples Federico II大學(xué)的Carosena Meola［19］利用擺錘法對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了不同能量的低速?zèng)_擊，并利用紅外熱像儀對(duì)沖擊過(guò)程中熱現(xiàn)象進(jìn)行了研究，對(duì)沖擊前后的試件利用鎖相熱波技術(shù)進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。結(jié)果表明，熱像儀可有效地監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊過(guò)程中的熱現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)熱圖的分析可得到?jīng)_擊所造成損傷的范圍。沖擊溫度上升情況和損傷程度近似呈線性關(guān)系，沖擊頭的大小及形狀對(duì)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，沖擊的能量以熱的形式耗散，并造成了試件基體的微小開裂、分層和纖維斷裂，可通過(guò)溫度上升情況及熱斑擴(kuò)展情況判斷損傷狀態(tài)。

由于復(fù)合材料具有各向異性、非均勻性的特征，檢測(cè)時(shí)超聲波在復(fù)合材料內(nèi)部傳播，以及熱流的產(chǎn)生及傳導(dǎo)等規(guī)律都比金屬材料復(fù)雜。因此，對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷的超聲紅外熱波檢測(cè)與識(shí)別，還需做深入研究。筆者對(duì)超聲熱波技術(shù)的檢測(cè)原理進(jìn)行分析，推導(dǎo)超聲波激勵(lì)后構(gòu)件表面溫度場(chǎng)分布規(guī)律;應(yīng)用一個(gè)含有沖擊損傷的復(fù)合材料有限元分析模型，用數(shù)值仿真分析超聲熱波方法對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷的檢測(cè)效果;制作炭纖維復(fù)合材料試件，低速?zèng)_擊后，對(duì)其進(jìn)行超聲熱波檢測(cè)，以檢驗(yàn)超聲熱波技術(shù)對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)的有效性。

1 超聲熱波技術(shù)無(wú)損檢測(cè)原理

超聲熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)時(shí)，將短脈沖、低頻率的超聲波作用于試樣表面，超聲波經(jīng)過(guò)界面耦合，在試樣中傳播，遇到缺陷或損傷時(shí)，其機(jī)械能會(huì)由于缺陷或損傷界面的摩擦而造成較大衰減，并伴有熱量的產(chǎn)生，導(dǎo)致缺陷或損傷部位及其相鄰區(qū)域溫度升高，而這種即使較小的溫度變化，也可通過(guò)紅外熱像儀觀察和記錄［20］。其檢測(cè)原理如圖1所示。

在超聲波激勵(lì)的過(guò)程中，構(gòu)件內(nèi)部界面貼合型損傷的界面間發(fā)生接觸碰撞，界面質(zhì)點(diǎn)間摩擦作用使超聲波機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能。發(fā)生接觸碰撞的損傷部位為多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，在超聲波激勵(lì)下受迫振動(dòng)的控制方程:

式中 U為節(jié)點(diǎn)位移矩陣，m;M為質(zhì)量矩陣，kg;C為阻尼矩陣，kg/s;K為剛度矩陣，kg/s2;F為超聲波引起的外載荷矩陣，N;R為損傷界面接觸力矩陣，N。

將接觸界面視為邊界，其邊界條件為未知，且隨接觸變形而改變。因此，損傷界面接觸力是位移的函數(shù)。R可分解為法向接觸力和切向摩擦力。

損傷處產(chǎn)生的熱流密度為

式中 q(t)為損傷處產(chǎn)生的熱流密度;μs、μd分別為損傷處的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù);c為靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦的速度系數(shù);Fn(t)為法向接觸力;vτ(t)為接觸點(diǎn)的切向相對(duì)速度。

對(duì)于較薄的各向同性無(wú)限大平板試樣，設(shè)其內(nèi)部損傷界面上個(gè)點(diǎn)生熱量相等，且熱流均勻分布于2個(gè)界面，其導(dǎo)熱微分方程可簡(jiǎn)化為一維模型:

式中 T為溫度;x為橫坐標(biāo);t為時(shí)間;α為熱擴(kuò)散率。

其初始條件為Tt=0=T0，邊界條件為

2 數(shù)值仿真研究

2.1 模型建立與求解

沖擊損傷的環(huán)氧樹脂增強(qiáng)炭纖維復(fù)合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/plastic)層合板結(jié)構(gòu)的模型如圖2(a)所示。復(fù)合材料共12層，鋪層方式為［0°/45°/90°/－45°］12，在層合板中存在基體開裂、纖維斷裂和分層等損傷。

為了研究方便，建模過(guò)程中進(jìn)行了以下假設(shè):

(1)各層單向板之間粘接情況較好，可不考慮熱阻的影響;

(2)各類缺陷與復(fù)合材料層合板應(yīng)滿足能量守恒和溫度的連續(xù);

(3)粘接層不單獨(dú)考慮。

選擇三維正交各向異性層合炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型，力學(xué)參數(shù)［20］如表1所示，其他物理參數(shù)為密度ρ=1 340 kg/m3，比熱容 c=700 J/(kg·K)，沿纖維方向的熱導(dǎo)率λ1=12 W/(m·K)，垂直于纖維方向的熱導(dǎo)率 λ2=0.78 W/(m·K)。

表1 炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of carbon fiber reinforced composites

采用八節(jié)點(diǎn)力熱耦合六面體單元——C3D8RT(三向線性位移，三向線性溫度，減縮積分，沙漏控制)對(duì)試件劃分網(wǎng)格，并在損傷界面上覆蓋面-面接觸單元(模擬損傷表面的接觸-碰撞及摩擦生熱)，單元總數(shù)約為14 000個(gè)，其中厚度方向劃分單元數(shù)為6個(gè)。模型建立和網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2(b)所示。

假定周圍環(huán)境溫度Te保持不變，為25℃，模型的初始溫度T0為環(huán)境溫度。為了計(jì)算方便，假設(shè)靜摩擦系數(shù) μs=0.4，動(dòng)摩擦系數(shù) μd=0.35，動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)化系數(shù)β=5。超聲激勵(lì)源為一個(gè)作用于試件表面的簡(jiǎn)諧位移函數(shù)a(t)，整個(gè)過(guò)程中，材料的表面對(duì)流換熱系數(shù)取hc=10 W/(m2·K)。由于損傷附近區(qū)域溫度較低，而本文所關(guān)心的問(wèn)題持續(xù)時(shí)間僅為幾百毫秒。所以，在計(jì)算過(guò)程中，忽略損傷附近區(qū)域的輻射換熱。

根據(jù)超聲熱激勵(lì)的檢測(cè)特點(diǎn)，計(jì)算過(guò)程分為2步:

第一步(超聲激勵(lì)過(guò)程):t=0～40 ms

初始條件:T|t=0=25℃。

邊界條件:

(1)試件2個(gè)側(cè)面固定(即約束其6個(gè)自由度);

(2)試件正面施加簡(jiǎn)諧位移載荷:

式中 f為激勵(lì)頻率，f=20 kHz;A為激勵(lì)幅度，A=10 μm。

第二步(冷卻過(guò)程):t=40～120 ms

初始條件為第一步的計(jì)算結(jié)果;

邊界條件除簡(jiǎn)諧位移載荷外，其余邊界條件與第一步相同:

2.2 結(jié)果分析

加載計(jì)算后，分別提取模型不同時(shí)刻表面溫度云圖如圖3所示。從圖3可看出，激勵(lì)加載后1 ms時(shí)，位于中部的基體開裂損傷便開始顯現(xiàn)，并逐漸向周圍擴(kuò)散，直到40 ms時(shí)，已擴(kuò)散為一個(gè)近似的圓形區(qū)域，十字中心處由于存在微米級(jí)的基體開裂，熱在傳導(dǎo)的過(guò)程中受到了阻礙，在中心處堆積，在云圖上表現(xiàn)為高溫區(qū)。左側(cè)的貼合型損傷在激勵(lì)后，由于沿著厚度方向熱導(dǎo)率較低(0.78 W/(m·K))，熱量傳導(dǎo)的速度相對(duì)較慢，直到3 ms時(shí)，才慢慢在表面上顯現(xiàn)出來(lái)，并不斷向周圍擴(kuò)散。隨著激勵(lì)作用的持續(xù)，表面溫度越來(lái)越高，且溫度場(chǎng)的形狀呈半圓形，與預(yù)制分層損傷形狀基本一致。

由于橫向熱擴(kuò)散作用，熱斑的邊緣較模糊;在整個(gè)激勵(lì)過(guò)程中，基體開裂各個(gè)部分溫度均迅速上升，且中部的溫度大于尖端處。在整個(gè)過(guò)程中，位于右側(cè)的非貼合型分層損傷對(duì)應(yīng)的表面溫度沒有任何變化。

提取數(shù)據(jù)，繪制超聲激勵(lì)階段試件表面不同位置的溫度-時(shí)間曲線如圖4所示。

從圖4可發(fā)現(xiàn)，基體開裂溫度時(shí)間曲線上升段具有較大的斜率，這是由于尖端處雖然界面接觸較好，但發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)量較小，摩擦生熱量也少?；w開裂的中部節(jié)點(diǎn)具有相對(duì)較大的接觸壓力和相對(duì)速度，生成的熱能量比尖端處節(jié)點(diǎn)多，且溫度變化曲線在激勵(lì)階段存在一定波動(dòng)，其原因是裂紋面在超聲激勵(lì)下是間歇接觸碰撞，在間歇時(shí)間內(nèi)，溫度可能會(huì)下降。位于右側(cè)的非貼合型損傷在超聲激勵(lì)下沒有任何反應(yīng)，這是因?yàn)閾p傷處沒有形成有效的接觸面，無(wú)法通過(guò)摩擦產(chǎn)生熱流。位于最下方參考區(qū)域的曲線幾乎是一條水平的直線，這表明其溫度幾乎沒有發(fā)生變化。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

低速?zèng)_擊試驗(yàn)借助航天科工集團(tuán)六二三所的沖擊試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)依據(jù)ASTM D 7136/D 7136M-07標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)定纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在沖擊中損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)。試件規(guī)格為150 mm×100 mm×4 mm。沖擊區(qū)域?yàn)?20 mm×70 mm的矩形區(qū)域。沖頭是一個(gè)直徑為16 mm的鋼質(zhì)半球形端部，沖頭軸線與板平面垂直。沖擊能量通過(guò)調(diào)整沖頭落下的高度和砝碼質(zhì)量來(lái)控制。炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試件見圖5。

超聲熱波檢測(cè)試驗(yàn)借助首都師范大學(xué)的紅外熱波實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行。超聲激勵(lì)采用脈沖發(fā)生器，最大功率為4 000 W，激勵(lì)頻率為20 kHz，可通過(guò)振幅參數(shù)調(diào)節(jié)輸出功率，通過(guò)控制器可調(diào)節(jié)超聲槍頭加載接觸力的大小及超聲作用時(shí)間等參數(shù)。所采用紅外熱像儀工作波段為8～9 μm，室溫條件下，溫度靈敏度為0.02℃，圖像分辨率為320×240。采集時(shí)間設(shè)置為20 s，采集頻率60 Hz。

3.2 結(jié)果分析

圖6為典型的復(fù)合材料沖擊損傷超聲熱波檢測(cè)熱圖，上端的亮斑為超聲槍頭和試件接觸的區(qū)域，試件表面其余部位的亮斑為有損傷的區(qū)域。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，超聲熱波對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷可進(jìn)行有效檢測(cè)，對(duì)沖擊點(diǎn)附近的分層，以及表面的基體開裂和纖維斷裂都有較好的檢測(cè)效果。但在不同能量沖擊作用后，構(gòu)件內(nèi)部的損傷形式復(fù)雜多樣，相互交織，而且并非所有的損傷都是貼合型損傷。因此，超聲熱波檢測(cè)結(jié)果中顯示的損傷面積與沖擊能量的關(guān)系較復(fù)雜。

通過(guò)序列圖上熱斑出現(xiàn)的時(shí)間，可對(duì)試件內(nèi)部的損傷情況進(jìn)行定性分析。在加載的瞬間時(shí)，出現(xiàn)了不連續(xù)條形熱斑，為微小的基體開裂及纖維斷裂，隨后繞沖擊點(diǎn)逐漸向 90°、135°、0°方向擴(kuò)展。與此同時(shí)，更深層的分層損傷逐漸出現(xiàn)，在熱擴(kuò)散作用下，熱斑出現(xiàn)由暗到亮，又由亮到暗的過(guò)程。到1.54 s時(shí)，沖擊點(diǎn)周圍出現(xiàn)較大面積熱斑。經(jīng)分析，是深層的分層損傷在超聲的作用下，摩擦生熱，之后熱傳到表面，由于熱的擴(kuò)散，在傳導(dǎo)到表面時(shí)，熱斑變得相對(duì)模糊。隨著時(shí)間的推移，更深層損傷產(chǎn)生的熱也會(huì)逐漸傳到表面，在4.34 s時(shí)，熱斑已擴(kuò)展為較大的一片近似圓形的區(qū)域。

從熱波檢測(cè)的序列熱圖中，選取具有代表性熱斑的熱圖，圖7所示為典型的沖擊損傷超聲熱波檢測(cè)的熱圖表征。從圖7可見，基體開裂呈線條形熱斑，纖維斷裂呈“工”字形熱斑，分層則呈現(xiàn)出較大面積的塊狀熱斑;超聲熱波方法對(duì)基體開裂、纖維斷裂及貼合型分層均有較好的檢測(cè)效果，淺表層基體開裂目前可檢測(cè)到表層下第2鋪層。

圖7中所示的分層、基體開裂、纖維斷裂3種最基本的損傷形式通常是相互交織相伴相生的，從圖6也可看出，對(duì)于表層基體開裂、纖維斷裂通常在加載的一瞬間就顯現(xiàn)出來(lái)，而且越來(lái)越明顯，而層間的分層損傷由于離表面有一定的距離，摩擦生熱后有一個(gè)傳導(dǎo)的過(guò)程，因此出現(xiàn)的相對(duì)較晚，而且出現(xiàn)后也會(huì)和前期出現(xiàn)的表層纖維斷裂、基體開裂的熱斑疊加在一起，由于分層通常是大面積的塊狀熱斑，通常就會(huì)將纖維斷裂和基體開裂的熱斑覆蓋和湮沒。因此，不便直接提取損傷處的溫度曲線與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

為了使超聲波能夠有效地加載到試件，需要超聲槍頭以一定的力接觸試件的表面，并保持一定的幅值加載，加載力和幅值的大小直接影響超聲波耦合情況的好壞，對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，為研究加載接觸力及幅值的大小對(duì)檢測(cè)的影響，保持超聲脈寬、頻率不變，對(duì)試件相同位置加載不同大小的力及幅值，而后采集熱圖。圖8所示為1#試件在超聲波加載后0.16 s時(shí)的熱圖。

在不同檢測(cè)條件下，在試件同一部位提取溫度曲線如圖9所示。從圖9可見，在一定的范圍內(nèi)(壓力從0～200 N，幅值從0～100%)，加載接觸力越大，幅值越大，檢測(cè)效果越好，但考慮到材料強(qiáng)度的限制，過(guò)大的加載接觸力和幅值會(huì)對(duì)試件造成一定的二次損傷。因此，需根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的加載條件。

圖10所示為5#試件超聲熱波檢測(cè)結(jié)果和超聲C掃檢測(cè)結(jié)果。從圖10可見，超聲熱波法的熱圖序列中后期的熱圖輪廓與超聲C掃結(jié)果較相似。超聲C掃檢測(cè)結(jié)果可直接反映出不同深度的損傷信息，尤其對(duì)分層較敏感，輪廓較清楚，但對(duì)基體開裂和纖維斷裂的檢測(cè)效果較差;而超聲熱波法的熱圖只能反映某一時(shí)刻的表面溫度情況，包含信息量多，既有該時(shí)刻對(duì)應(yīng)深度的損傷信息，又有之前的損傷信息，通過(guò)對(duì)熱圖序列的分析，可對(duì)分層、淺表層基體開裂、淺表層纖維斷裂等損傷進(jìn)行有效檢測(cè)，但超聲槍加載位置會(huì)產(chǎn)生熱斑，且出現(xiàn)駐波現(xiàn)象時(shí)會(huì)影響對(duì)損傷的判斷。

4 結(jié)論

(1)利用有限元方法，對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，超聲熱波檢測(cè)方法對(duì)基體開裂、貼合型分層損傷較敏感，且無(wú)損傷區(qū)域溫度幾乎不變化，有利于對(duì)缺陷或損傷的判斷及定量分析。

(2)對(duì)復(fù)合材料的沖擊損傷開展檢測(cè)研究，在對(duì)試件進(jìn)行低速?zèng)_擊的基礎(chǔ)上，采用超聲熱波方法，對(duì)沖擊后的試件進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，超聲熱波方法對(duì)沖擊點(diǎn)附近區(qū)域檢測(cè)效果好，對(duì)于淺表層纖維斷裂、淺表層基體開裂及貼合型分層具有較好的檢測(cè)效果。

(3)超聲熱波檢測(cè)方法只會(huì)在損傷區(qū)域生熱，無(wú)損傷區(qū)域溫度幾乎不變化，采集到的熱圖干擾較小，有利于檢測(cè)結(jié)果的定量分析。研究發(fā)現(xiàn)，加載接觸力為200 N、加載幅值為100%時(shí)，檢測(cè)效果最好。

(4)對(duì)不同類型損傷在熱圖中的表現(xiàn)形式進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，基體開裂呈線條形熱斑，纖維斷裂呈“工”字形熱斑，分層則呈現(xiàn)出較大面積熱斑。

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