碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊缺陷脈沖渦流無損檢測(cè)仿真與試驗(yàn)研究*

周德強(qiáng),吳佳龍,王 俊,尤麗華,盛衛(wèi)鋒

(1.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;3.無錫國(guó)盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

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碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊缺陷脈沖渦流無損檢測(cè)仿真與試驗(yàn)研究*

周德強(qiáng)1,2,3*,吳佳龍1,2,王 俊1,2,尤麗華1,2,盛衛(wèi)鋒1,2

(1.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;3.無錫國(guó)盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

為了對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)沖擊缺陷進(jìn)行檢測(cè),提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測(cè)法。通過有限元仿真,分析電導(dǎo)率差異對(duì)渦流磁場(chǎng)的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究,利用小波包能量法驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測(cè)法可以有效識(shí)別沖擊缺陷,并且能夠區(qū)分不同沖擊大小對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷的差異。

脈沖渦流;有限元分析;沖擊缺陷檢測(cè);碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

近年來,碳纖維復(fù)合材料的使用引起了各個(gè)行業(yè)的廣泛關(guān)注,尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其具有重量輕、可與金屬材料相媲美的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。但是,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在其垂直于纖維方向上具有較差的機(jī)械性能,最突出的表現(xiàn)就是抵御外界沖擊的能力[1-2]。碳纖維構(gòu)件,例如飛機(jī)和風(fēng)力渦輪葉片,服役過程中大多不可避免的要承受不同能量大小的沖擊,易產(chǎn)生疲勞失效[3]。因此,對(duì)碳纖維構(gòu)件的日常維護(hù)和生命周期評(píng)估是很有必要的。

超聲檢測(cè)是一種使用最廣泛的碳纖維復(fù)合材料檢驗(yàn)方法[1],具有檢測(cè)內(nèi)部缺陷的優(yōu)勢(shì)。然而,這種方法也有許多缺點(diǎn),例如檢測(cè)需要聲波耦合劑、缺乏對(duì)淺表面斷裂缺陷的敏感性等。脈沖渦流檢測(cè)法以其具有檢測(cè)信號(hào)頻譜寬、含缺陷信息豐富[4]等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)葛邦、孫磊、周德強(qiáng)等人使用電渦流法對(duì)CFRP電導(dǎo)率檢測(cè),發(fā)現(xiàn)CFRP的電導(dǎo)率是各向異性的,相同條件下其渦流趨膚深度比各向同性材料深,纖維方向引導(dǎo)渦流的流動(dòng)[5-7]。日本學(xué)者Koyama K提出一種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(cè)線圈組成的。Theta探頭能檢測(cè)到?jīng)_擊能量高達(dá)0.25 J CFRP的產(chǎn)生的缺陷且具有較高的信噪比[8]。印度M.N.Libin、英國(guó)Guiyun Tian等人利用脈沖渦流熱成像技術(shù)對(duì)CFRP進(jìn)行檢測(cè),研究結(jié)果表明加熱線圈垂直于損壞曲線下的檢測(cè)效果較好,CFRP表面缺陷可通過比較表面切口溫度識(shí)得,2 J、4 J能量沖擊無法被檢測(cè)出來,6 J、8 J的高溫區(qū)域集中在一起,10 J、12 J高溫區(qū)域是圓形,可用來估計(jì)缺陷區(qū)域的大小[9-11]。然而,脈沖渦流熱成像實(shí)驗(yàn)儀器造價(jià)比較昂貴,開放性不好,因此目前還只能在實(shí)驗(yàn)室使用。2014年,Guiyun Tian研究團(tuán)隊(duì)又利用掃描脈沖渦流技術(shù)對(duì)CFRP沖擊缺陷進(jìn)行檢測(cè)。研究結(jié)果表明,2 J的沖擊能量不足以造成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)生缺陷,4 J的沖擊能量不足以破壞編織的纖維結(jié)構(gòu)。通過觀測(cè)hall采集信號(hào)的掃描成像,可以清楚的看到?jīng)_擊缺陷的存在[12]。

通過上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),脈沖渦流熱成像檢測(cè)法由于其自身缺點(diǎn),其使用性受到了限制。本文的主要目的是利用基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRP沖擊缺陷的檢測(cè),采用小波包能量法分析表面磁場(chǎng)強(qiáng)度與沖擊能量的關(guān)系,進(jìn)而識(shí)別和定量沖擊缺陷。

圖1 仿真模型

1 仿真模型的建立與仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics 4.4建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測(cè)模型,如圖1所示。在AC/DC模塊下選擇物理場(chǎng)為磁場(chǎng)并且在瞬態(tài)求解下進(jìn)行求解分析。沖擊破壞受沖擊區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu),改變了受沖擊區(qū)域的物理參數(shù)。在脈沖渦流檢測(cè)中,缺陷對(duì)磁場(chǎng)的擾動(dòng)主要表現(xiàn)為電導(dǎo)率上的差異,因此通過在CFRP中嵌入一定體積大小的圓柱體并且設(shè)定圓柱體在不同方向上的電導(dǎo)率,研究電導(dǎo)率差異對(duì)渦流磁場(chǎng)的影響。小圓柱體電導(dǎo)率的具體設(shè)定方法如公式1所示[2],其中σx0,σy0,σz0分別表示CFRP的電導(dǎo)率σx0=10 000 S/m,σy0=100 S/m,σz0=100 S/m[2],σx,σy,σz分別表示小圓柱體的電導(dǎo)率,ax,ay,az表示小圓柱體在x、y、z方向上電導(dǎo)率的變化率,r表示圓柱體的半徑,x、y表示圓柱體表面的坐標(biāo)?，F(xiàn)假設(shè)小圓柱體位于CFRP的中央,因此x=0,y=0,公式1可簡(jiǎn)化為公式2。電導(dǎo)率設(shè)定比例如表1所示,表中S0、S1、S2、S3、S4表示小圓柱體與CFRP樣本電導(dǎo)率的比值。模型其他參數(shù)設(shè)置如下:CFRP樣本的幾何尺寸為100 mm×50 mm×3.5 mm,矩形線圈的長(zhǎng)寬高比例為2∶1∶1.5,尺寸為40 m×20 m×30 m,方波激勵(lì)頻率設(shè)置為100 Hz,漆包線直徑為0.3 mm,匝數(shù)為1 000匝。

(1)

σx=σx0axσy=σy0ayσz=σz0az

(2)

表1 仿真中電導(dǎo)率的設(shè)置

圖2 CFRP表面磁通密度分布

1.2 仿真分析

1.2.1 矩形線圈作用下CFRP表面磁場(chǎng)和渦流分布

矩形線圈作用下CFRP表面磁通密度分布如圖2所示,從圖2中可以看到CFRP表面磁通密度x分量主要集中分布于4個(gè)區(qū)域,面積較小且比較分散;CFRP表面磁通密度y分量主要集中分布于試樣體中央,面積較大且比較集中;CFRP表面磁通密度z分量主要集中分布于兩個(gè)區(qū)域,呈帶狀且面積較小。圖3為矩形線圈作用下CFRP表面感應(yīng)電流密度模值分布,從圖3中可以看到感應(yīng)渦流主要分布于試樣表面對(duì)應(yīng)于線圈下方區(qū)域且面積較大。結(jié)合圖2和圖3結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁通密度y分量的主要分布區(qū)域正好對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電流密度模值的主要分布區(qū)域,這表明若以磁通密度y分量作為缺陷檢測(cè)提取的特征量,可實(shí)現(xiàn)較大面積的傳感檢測(cè)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受外界能量沖擊下,其受損區(qū)域面積較大,這一點(diǎn)正好契合磁通密度y分量分布特性。因此針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊缺陷,本文提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測(cè)法。

圖3 CFRP表面感應(yīng)渦流密度模值分布

1.2.2 缺陷仿真結(jié)果分析

根據(jù)表1中設(shè)定的電導(dǎo)率比值,分別對(duì)模型進(jìn)行缺陷仿真并提取缺陷處的磁通密度y分量值。圖4(a)為不同電導(dǎo)率比值下磁通密度y分量缺陷差分信號(hào)比較結(jié)果,圖4(b)為電導(dǎo)率比值與差分信號(hào)峰值的關(guān)系圖。圖4(a)和圖4(b)結(jié)果表明差分信號(hào)峰值隨著電導(dǎo)率比值的增大而減小。

圖4 磁通密度y分量缺陷差分信號(hào)

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 CFRP沖擊樣本的制作

圖5(a)為CFRP樣本示意圖,樣本的外形尺寸為150 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬),板厚為3.5 mm,每一層纖維厚度大約為0.25 mm,一共大約有14層纖維,各層鋪層方式為±90°。圖5(b)為沖擊樣本制作方法示意圖,使用一定質(zhì)量的鐵球分別從不同的高度自由落在CFRP板的中央,沖擊能量的大小可由式(3)計(jì)算得到。

W=mgh

(3)

式中:W代表沖擊能量的大小,m表示鐵球的質(zhì)量,h表示自由落下的高度。在本次實(shí)驗(yàn)中,使用質(zhì)量為2 kg的鐵球分別從高度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m自由落下,沖擊能量分別是4 J、8 J、12 J、16 J、20 J。

圖5 沖擊樣本

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、矩形探頭、功率放大模塊、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和被檢試件5個(gè)部分組成。脈沖信號(hào)發(fā)生模塊采用YUANLONG VD1641函數(shù)發(fā)生器,它具有可選的任意波形生成功能。矩形探頭主要包括1片巨磁阻磁場(chǎng)傳感器(GMR AA004-02E)和矩形線圈。圖6(a)為GMR AA004-02E芯片引腳圖,從圖6(a)可以看到芯片長(zhǎng)邊方向?yàn)榇琶糨S方向,檢測(cè)時(shí)只需將芯片長(zhǎng)邊方向置于y軸方向即可測(cè)量磁場(chǎng)y軸分量,具體放置方式如圖6(b)所示,輸出信號(hào)接到放大器的正負(fù)輸入端,實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的放大。功率放大模塊采用英國(guó)牛頓科技公司研制的Newtons4th Ltd.LPA05B型號(hào)的功率放大器。信號(hào)調(diào)理電路主要包括濾波電路和信號(hào)放大電路,放大電路選用ANALOGDEVICES的INA129儀用放大器為核心芯片。數(shù)據(jù)采集模塊選用Adlink公司推出的一款數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010作為實(shí)驗(yàn)所使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備,并利用MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6(c)所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 檢測(cè)信號(hào)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用矩形探頭分別在每一缺陷處測(cè)量并提取檢測(cè)信號(hào),矩形探頭提離高度為1.5 mm,檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。從圖7中可以看到參考信號(hào)與缺陷信號(hào)之間存在明顯的不同,隨著沖擊能量的增大,檢測(cè)信號(hào)的整體幅度下移。圖7結(jié)果表明沖擊降低了受沖擊區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

小波包能量法是一種時(shí)域分析方法,廣泛應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)的特征提取中,對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷具有較好的損傷敏感性和噪聲魯棒性[13]。本文利用小波包能量法對(duì)脈沖渦流信號(hào)進(jìn)行特征提取。由于脈沖渦流信號(hào)的頻帶的很寬,分解層次選擇8層分解,得到256個(gè)頻帶段,頻段間隔為200 Hz。考慮到256個(gè)頻帶過于龐大,提取前10個(gè)頻帶如圖8所示。由圖8可以看出脈沖渦流檢測(cè)能量集中在能量方塊圖中第1段,所屬的頻帶為(0～200 Hz),這正是方波基頻(100 Hz)所在的頻段。為此,提取能量方塊圖中的第1頻段作為信號(hào)的特征量。

圖8 各頻帶信號(hào)能量值

采用上節(jié)講述的提取信號(hào)能量的方法,分別提取每一缺陷處采樣信號(hào)的能量值并做缺陷差分處理,結(jié)果如圖9所示。

圖9 沖擊能量與缺陷差分能量信號(hào)的關(guān)系

圖10 沖擊能量與CFRP表面凹陷深度的關(guān)系

由圖9可以看出缺陷差分能量信號(hào)隨著沖擊能量的增大而增大。以上分析可知,使用信號(hào)能量值作為脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的特征值,可以有效的區(qū)分不同能量沖擊對(duì)CFRP造成的損傷。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還利用游標(biāo)卡尺測(cè)定了CFRP受不同能量沖擊下其表面凹陷的深度,結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看到4 J能量沖擊下CFRP表面沒有產(chǎn)生凹陷,從4 J開始到16 J之間CFRP表面開始產(chǎn)生凹陷并且凹陷深度隨著沖擊能量的增大而增大,16 J、20 J能量沖擊下CFRP表面凹陷深度相同。

3 結(jié)論

針對(duì)CFRP沖擊缺陷檢測(cè),結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn),提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測(cè)法,研究發(fā)現(xiàn)這種方法可以有效的識(shí)別沖擊缺陷,并且受沖擊區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著沖擊能量的增大而減小。

[1] Stoessel R. Air-Coupled Ultrasound Inspection as a New Non-Destructive Testing Tool for Quality Assurance[D]. Germany,Stuttgart:Faculty of Eng Design,Production Eng,and Automotive Eng,Univ of Stuttgart,2004.

[2]Liang Cheng. Eddy Current Pulsed Thermography for Non-Destructive Evaluation of Carbon Fibre Reinforced Plastic for Wind Turbine Blades[D]. British,Newcastle:School of Electrical and Electronic Engineering,Newcastle University,2013.

[3]李劍芝,孫寶臣. 單向纖維復(fù)合材料的低頻阻尼性能[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(8):1022-1026.

[4]He Yunze,Pan Mengchun,Luo Feilu,et al. Pulsed Eddy Current Imaging and Frequency Spectrum Analysis for Hidden Defect Nondestructive Testing[J]. NDT&E International,2011,44(4):344-352.

[5]葛邦,楊濤,高殿斌,等. 復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2009,6(2):3-4.

[6]孫磊. 碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)有限元分析[D]. 廈門:廈門大學(xué)航空學(xué)院,2014.

[7]周德強(qiáng),尤麗華,張秋菊,等. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料脈沖渦流無損檢測(cè)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(2):277-282.

[8]Koyama K,Hoshikawa H,Hirano T. Non-Contact Characterisation of Carbon Fibre Reinforced Plastics(CFRP)Using Multi-Frequency Eddy Current Sensors[C]//Smart Materials,Structures and NDT in Aerospace Conference,2011.

[9]Libin M N,Maxfield B W,Krishnan Balasubramanian. Scanning Tone Burst Eddy-Current Thermography(S-TBET)for NDT of Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP)Components[J]. AIP Conference Proceedings,2014,1581:1336-1343.

[10]Cheng Liang,Tian Guiyun. Surface Crack Detection for Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP)Materials Using Pulsed Eddy Current Thermography[J]. IEEE Sensors Journal,2011,11(22):3261-3268.

[11]He Yunze,Tian Guiyun,Pan Mengchun,et al. Impact Evaluation in Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP)Laminates Using Eddy Current Pulsed Thermography[J]. Composite Structures,2014,109:1-7.

[12]He Yunze,Tian Guiyun. Non-Destructive Testing of Low-Energy Impact in CFRP Laminates and Interior Defects in Honeycomb Sandwich Using Scanning Pulsed Eddy Current[J]. Composites:Part B,Engineering,2014,59:196-203.

[13]易雄. 基于小波分析的機(jī)械故障特征提取與診斷技術(shù)研究[D]. 浙江:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2009.

Simulation and Experiment of Impact Damages in Carbon Fiber Reinforced Plastic Using Pulsed Eddy Current Testing*

ZHOUDeqiang1,2,3*,WUJialong1,2,WANGJun1,2,YOULihua1,2,SHENGWeifeng1,2

(1.The Key Laboratory for Advanced Food Manufacturing Equipment Technology of Jiangsu Province,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;3.Wuxi G.S Precision Tool CO.,LTD,Wuxi Jiangsu 214024,China)

In order to evaluate impact damage of carbon fiber reinforced plastic(CFRP),the method of PEC based on magnetic field of y component is proposed. The influence of conductivity differences on the eddy current magnetic field is analyzed by finite simulation. The simulation results are demonstrated by experiments using the method of wavelet packet energy analysis. Simulation and experimental results show that the method of PEC based on magnetic field of y component can effectively identify defect caused by impact energy,and characterize the damages caused by different impact energy.

pulsed eddy current;the finite element analysis;impact defects detection;carbon fiber reinforced composite materials;

周德強(qiáng)(1979-),男,湖北天門人,博士、副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)及自動(dòng)化,zhoudeqiang@jiangnan.edu.cn;

吳佳龍(1988-),男,2012年7月畢業(yè)于山東交通學(xué)院交通運(yùn)輸專業(yè),現(xiàn)就讀于江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè),主要研究方向無損檢測(cè)及自動(dòng)化,txwujialong@163.com。

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51107053);中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(2012M520994)

2014-12-02 修改日期:2015-01-27

C:5130;0550

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.011

TG156

A

1004-1699(2015)05-0671-06