碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料脈沖渦流無損檢測仿真與實(shí)驗(yàn)研究*

周德強(qiáng),尤麗華,張秋菊,鄭　莎,吳佳龍

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2無錫國盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)是由纖維、基體、界面組成的,其微觀構(gòu)造是一個(gè)復(fù)雜的多相體系,而且具有不均勻性和多向異性,該種材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工以及其他民用工業(yè)領(lǐng)域[1]。由于脈沖渦流無損檢測方法中激勵(lì)脈沖包含的頻譜寬,可提取的缺陷信息豐富[2-4],對深層缺陷檢測能力強(qiáng)[5],應(yīng)用前景廣闊,且脈沖渦流矩形傳感器可以有效解決各向異性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷或應(yīng)力的檢測問題[6],脈沖渦流矩形傳感器在CFRP各向異性材料的缺陷檢測已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對CFRP的無損檢測進(jìn)行了深入研究。Yin W等采用渦流傳感器測量CFRP樣品的電導(dǎo)率、方向性特征、故障檢測和成像[7-8]。日本學(xué)者Koyama K等采用一種Theta渦流探頭,由一個(gè)圓形的激勵(lì)線圈和一個(gè)豎直的矩形檢測線圈組成的,其中激勵(lì)線圈由于電磁感應(yīng)在檢測樣品產(chǎn)生渦流,檢測線圈檢測由于缺陷引起磁通量變化而產(chǎn)生的渦流信號。使用Theta探頭對CFRP的撞擊缺陷進(jìn)行掃描檢測實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明這種Theta探頭能檢測到?jīng)_擊能量高達(dá)0.25JCFRP的產(chǎn)生的缺陷,且Theta探頭相比傳統(tǒng)的渦流探頭具有較高的信噪比[9]。Gui Yun Tian等提出了一種關(guān)于CFRP的脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),通過觀察CFRP表面的熱量分布,檢測碳纖維的各向異性電導(dǎo)率,通過檢測具有不同深度和寬度的缺口,歸一化溫度的上升和衰減也隨之變化,同時(shí)線圈沿纖維缺口方向的位置不變性也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。表明脈沖渦流熱成像溫度記錄可以通過表面熱成像圖形分析和瞬時(shí)溫度的變化來檢測復(fù)合材料特性和缺陷[10]。我國學(xué)者田玉鵬等分別使用了激勵(lì)熱氣體成像法、渦流激勵(lì)成像法和超聲波陣列成像法3種無損檢測技術(shù)測量CFRP板的缺陷。通過比較分析,得出超聲波陣列測試方法對檢測結(jié)果有較高的靈敏度,但它需要耦合劑,而且探頭與試樣的摩擦,對樣板有一定的破壞性影響。紅外檢測是非接觸式測量方法,它對樣板沒有任何傷害,在同一時(shí)間,它可以檢測到更大的區(qū)域并且顯示缺陷的形狀信息[11]。任吉林等采用渦流法對CFRP涂層厚度進(jìn)行了測量研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過選擇合適的檢測頻率可以使探頭線圈阻抗與涂層厚度有很好的線性相關(guān)性和檢測分辨率[12]。

本文采用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件建立了脈沖渦流矩形傳感器檢測模型,通過電導(dǎo)率的改變,提取磁場的瞬態(tài)信號,對三維磁場信號進(jìn)行了仿真分析,對比矩形探頭的兩種放置方式進(jìn)行方向特性研究。采用方向特性優(yōu)良的脈沖渦流矩形傳感器研究了CFRP的各向異性電導(dǎo)率的分布以及缺陷檢測。

圖2　水平放置仿真模型圖

1　仿真模型的建立和參數(shù)設(shè)置

1.1　仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測模型。在AC/DC模塊下選擇物理場為磁場并且在瞬態(tài)求解下進(jìn)行求解分析。由于矩形探頭放置方式不同檢測效果有所不同,因此本文建立了豎直放置和水平放置兩種檢測模型。豎直放置是傳統(tǒng)的檢測方式,此時(shí)磁感線垂直穿過檢測試樣,如圖1所示;而水平放置時(shí)磁感線與被測試樣的表面平行,模型如圖2所示。

圖1　豎直放置仿真模型圖

1.2　電流密度設(shè)定及其他參數(shù)說明

仿真中載荷的添加尤為關(guān)鍵,本文在繪制矩形線圈時(shí),采用的是8塊矩形組合的方法。以豎直放置檢測模型為例,圖3為圖1線圈的俯視圖。

圖3　矩形線圈的俯視圖

圖4　碳纖維復(fù)合材料電導(dǎo)率各向異性設(shè)置

1.3　渦流分布

截取了矩形探頭尺寸為20 mm×20 mm×30 mm被測試樣表面的渦流分布圖,從圖5(a)中可以看出,豎直放置時(shí)渦流集中分布于激勵(lì)線圈的下方,中心區(qū)域渦流密度最小,從中心區(qū)域到外圍渦流密度逐漸增大;水平放置時(shí),如圖5(b)所示,在矩形線圈中心兩側(cè)都有渦流分布,而且每一側(cè)的渦流密度都比較大,其中心區(qū)域渦流密度最大,渦流分布從中心區(qū)域向外圍逐漸減小。通過對比渦流密度的最大值可以看出:水平放置時(shí)候的渦流密度中心區(qū)域的渦流密度大于豎直放置中心區(qū)域的渦流密度,有利于檢測微小缺陷等。

圖5　渦流分布對比圖

2　仿真實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果分析

激勵(lì)線圈放置方式的不同導(dǎo)致檢測效果不同,以被測試樣的電導(dǎo)率變化為誘導(dǎo)因素,通過設(shè)置不同的電導(dǎo)率,參考信號的電導(dǎo)率為0.9×105S/m,然后按照規(guī)律變化的電導(dǎo)率分別為1.5×105S/m、2.1×105S/m、2.7×105S/m、3.3×105S/m,即每次電導(dǎo)率增量為0.6×105S/m,數(shù)據(jù)用參考信號與電導(dǎo)率變化之后的信號做差分處理,對比分析矩形激勵(lì)線圈的方向特性。數(shù)據(jù)處理流程與參考文獻(xiàn)[14]一致,其差分信號處理結(jié)果如圖6所示。

提取差分信號峰值進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,電導(dǎo)率的變化與信號峰值的變化之間具有一定線性關(guān)系。為了對比矩形探頭不同方向的檢測效果,通過對比x、y、z3個(gè)方向磁通密度的變化來探究矩形探頭的方向性。

圖7　z軸差分信號峰值

圖6　z軸差分信號

通過上述處理方法,得出矩形探頭20 mm×20 mm×20 mm豎直放置時(shí)3個(gè)方向的檢測靈敏度,如圖8所示。從圖8可以看出,z軸方向具有很大的靈敏度,x、y軸與z軸的差分信號峰值不在一個(gè)數(shù)量級,與z軸相比,幾乎沒有靈敏度。為了進(jìn)一步探究不同尺寸矩形探頭豎直放置時(shí)磁場密度的變化規(guī)律,仿真研究了長×寬×高分別為20 mm×20 mm×30 mm、20 mm×20 mm×40 mm的矩形探頭,即長寬高比分別為1∶1∶1.5、1∶1∶2,其仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。比較圖10、圖11、圖12可以得出,矩形探頭豎直放置時(shí),隨著長、寬、高尺寸比例的增加,其x、y、z軸磁通密度發(fā)生變化,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。然而,其x軸、y軸靈敏度相對z軸靈敏度均可忽略不計(jì)。因此豎直放置檢測時(shí),z軸靈敏度最大,其他方向分量近似為0,有利于集中渦流對被測試件深層方向的缺陷進(jìn)行檢測,而其他方向的分量忽略不計(jì)。該種放置檢測方式有利于z軸方向缺陷或應(yīng)力的檢測。

圖9　探頭尺寸20 mm×20 mm×30 mm豎直放置三軸靈敏度

圖8　矩形探頭尺寸20 mm×20 mm×20 mm豎直放置三軸靈敏度

以相同尺寸的矩形激勵(lì)線圈,水平放置在被測試樣上方,模型圖如圖2所示。按照上述分析豎直放置脈沖渦流矩形傳感器的分析方法,分析了水平放置相同脈沖渦流傳感器的3個(gè)方向的檢測效果,矩形探頭尺寸為20 mm×20 mm×20 mm水平放置時(shí)仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出,x、y、z軸3個(gè)方向均有其磁場分量,而3個(gè)方向的靈敏度中,y軸靈敏度最大,其次是x軸,最小為z軸。為了進(jìn)一步研究脈沖渦流矩形傳感器的方向特性,仿真研究了不同長寬比(1.5∶1∶1、2∶1∶1)矩形探頭對渦流信號的影響,其仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。從圖11、圖12、圖13可以看出,隨著長寬比例的增加,y軸靈敏度最大,且x軸、z軸的靈敏度相對y軸的靈敏度越來越小,當(dāng)長、寬、高比例尺寸為2∶1∶1時(shí),其x軸、z軸的靈敏度可忽略不計(jì),因此,脈沖渦流矩形傳感器水平放置時(shí),y軸靈敏度最大,隨著長、寬、高比例的增加,其x軸、z軸靈敏度可忽略不計(jì)。該種放置檢測方式有利于y軸方向缺陷或應(yīng)力的檢測。兩種放置方式相比,從圖8～圖13可以明顯看出,長寬比增大靈敏度優(yōu)勢明顯。

圖10　探頭尺寸20 mm×20 mm×40 mm豎直放置三軸靈敏度

圖11　探頭尺寸20 mm×20 mm×20 mm水平放置時(shí)三軸靈敏度

圖12　探頭尺寸30 mm×20 mm×20 mm水平放置時(shí)三軸靈敏度

圖13　探頭尺寸40 mm×20 mm×20 mm水平放置時(shí)三軸靈敏度

綜合比較水平與豎直放置兩種方式的檢測效果,由于水平放置時(shí),y軸方向的磁場分量大于豎直放置的z軸分量,因此,相同尺寸的矩形傳感器水平放置檢測時(shí),長寬比越大,檢測效果越好。

3　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[14]采用仿真與實(shí)驗(yàn)的方法已證實(shí)仿真模型的有效性,因此,根據(jù)上述仿真結(jié)果,采用水平放置的脈沖渦流矩形傳感器進(jìn)行了CFRP電導(dǎo)率分布及缺陷實(shí)驗(yàn)。

3.1　實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖渦流檢測系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、信號放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個(gè)模塊。由信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過功率放大模塊把激勵(lì)功率放大,然后施加到矩形傳感器上,矩形傳感器與試樣產(chǎn)生渦流反應(yīng)因?yàn)榇嬖谌毕莼蛘邞?yīng)力使得霍爾傳感器檢測到磁場信號有所不同,所得信號經(jīng)過信號放大模塊進(jìn)行放大后由數(shù)據(jù)采集模塊采集到計(jì)算機(jī)中,最后使用MATLAB做信號分析處理。采用實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)[14]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),其探頭尺寸為40 mm×20 mm×20 mm,本實(shí)驗(yàn)使用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣頻率為10 kHz,激勵(lì)信號頻率為100 Hz。其實(shí)驗(yàn)試塊如圖14(a)所示,脈沖渦流矩形傳感器翻轉(zhuǎn),霍爾傳感器靠近CFRP缺陷檢測處進(jìn)行了檢測,其缺陷處標(biāo)號如圖14(b)所示。

圖14　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)

3.2　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電導(dǎo)率分布檢測

標(biāo)準(zhǔn)試樣CFRP如圖14(b)所示,其標(biāo)號0處為無缺陷區(qū)域,采用水平放置的脈沖渦流矩形傳感器40 mm×20 mm×20 mm進(jìn)行了電導(dǎo)率分布檢測實(shí)驗(yàn)。在中心無損區(qū)域0處,線圈從0°到360°旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)步長30°,采集到12組數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為原始信號,之后依次在其余8個(gè)點(diǎn)按照同樣的方法采集數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)[14]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,并提取信號峰值特征,其結(jié)果如圖15所示。由圖15看出碳纖維的不同方向的電導(dǎo)率值是不同的,表明被測試樣不同方向碳纖維之間的接觸點(diǎn)不同,且CFRP內(nèi)部纖維與纖維之間的接觸點(diǎn)數(shù)量呈周期性變化的,則CFRP的電導(dǎo)率也隨著接觸點(diǎn)數(shù)量的變化而變化。

員工管理不止是單單的制度約束就可以了，員工的工作技術(shù)質(zhì)量是建筑工程最有說服力的支撐點(diǎn)。所以管理人員要以全方位提升員工的各方面能力為基礎(chǔ)，全面展開管理工作。可以對員工展開周期性、高效率的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容從兩方面入手：①提升員工的專業(yè)知識，和實(shí)際施工的綜合專業(yè)能力，技術(shù)是在建設(shè)工程中最重要的一點(diǎn)，所以這點(diǎn)不能忽視。②提升員工的綜合素質(zhì)水平，一名員工的人品也是很重要的，主要傳達(dá)員工建筑工程的工作意義，提升員工的團(tuán)隊(duì)合作精神，工作時(shí)正能量的重要性。對于工作態(tài)度不端正，影響他人的施工行為，管理者可以直接一點(diǎn)的說明解決措施，采用辭退手段，沒有情面。管理者進(jìn)行培訓(xùn)的時(shí)候也能有鞏固自己的管理地位的作用。

圖15　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電導(dǎo)率分布實(shí)驗(yàn)

3.3　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷檢測

采用脈沖渦流矩形傳感器在CFRP缺陷處(即標(biāo)準(zhǔn)試塊如圖14(b)標(biāo)號為1～8處)進(jìn)行了缺陷檢測實(shí)驗(yàn)。然后把其余8個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在MATLAB中與無缺陷處原始數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理,其結(jié)果如圖16所示。

圖16　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷檢測實(shí)驗(yàn)

在大多數(shù)情況下,由于碳纖維被包圍在絕緣聚合物之中,CFRP的導(dǎo)電性沿著每個(gè)單獨(dú)的碳纖維的方向。CFRP中的電流只有通過碳纖維與碳纖維之間的接觸點(diǎn)形成通路,被測試樣的電導(dǎo)率是所有纖維的電導(dǎo)率的總和。因此,CFRP電導(dǎo)率的大小主要依賴于纖維與纖維之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量[15]。以前的實(shí)驗(yàn)也證明了碳纖維的電阻率隨著CFRP的電阻率隨這內(nèi)部損壞的出現(xiàn)而增大,即電導(dǎo)率變小,如纖維斷裂和脫層[16]。

對比圖15和圖16,可以看出在圖16中,150°、180°和330°方向上,由于CFPR電導(dǎo)率的各向異性,脈沖渦流矩形傳感器不能有效探測出缺陷。而其他方向的電導(dǎo)率由于是原始信號減去缺陷位置的信號,表明這些方向的電導(dǎo)率變小了,因此能證明CFRP出現(xiàn)了脫層或纖維損壞等缺陷,脈沖渦流矩形傳感器在其確定的方向上能夠有效判別CFPR缺陷。

4　結(jié)論

采用有限元仿真軟件對脈沖渦流矩形傳感器兩種放置方式進(jìn)行了建模與仿真分析,綜合比較水平與豎直放置兩種方式的檢測效果,由于水平放置時(shí),y軸方向的磁場分量大于豎直放置的z軸分量,因此,相同尺寸的矩形傳感器水平放置檢測時(shí),長寬比越大,檢測效果越好。其次采用水平放置方式下的矩形探頭對CFRP進(jìn)行了電導(dǎo)率分布與缺陷檢測實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證實(shí)脈沖渦流矩形傳感器在某一方向上能夠有效檢測CFRP的電導(dǎo)率分布與缺陷。

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