復合材料氣瓶分層缺陷的紅外檢測數(shù)值模擬

張宏鵬，丁克勤，薛彬，陶芳澤，魏化中

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.中國特種設備檢測研究院，北京100029

復合材料氣瓶分層缺陷的紅外檢測數(shù)值模擬

張宏鵬1，丁克勤2*，薛彬1，陶芳澤2，魏化中1

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.中國特種設備檢測研究院，北京100029

針對復合材料氣瓶分層缺陷不易被檢測的問題，利用ANSYS有限元方法、紅外檢測技術，對復合材料氣瓶分層缺陷進行紅外模擬分析.研究了復合材料氣瓶分層缺陷不同直徑、深度、厚度對復合材料氣瓶表面熱像溫度差、熱像對比度的影響.結果表明，隨著缺陷直徑和缺陷厚度的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值也隨著增大，說明分層缺陷越容易被檢測出；隨著缺陷深度的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值與深度呈反比關系，說明分層缺陷深度越小時，缺陷越容易被檢測出.

復合材料氣瓶；分層缺陷；有限元；紅外檢測

1 引言

復合材料氣瓶由于其使用特點而長期處于交變載荷作用之下，屬于全復合材料的疲勞高壓容器，疲勞損傷是影響氣瓶安全使用的重要原因之一［1-3］.復合材料氣瓶纏繞層的作用為承受氣瓶內(nèi)壓，這對氣瓶在使用過程中的安全具有很大的影響.而復合材料氣瓶纏繞層內(nèi)的疲勞損傷主要為纏繞層分層.由于復合材料氣瓶疲勞斷裂過程在宏觀形貌上沒有明顯的變形，這就給疲勞損傷的發(fā)現(xiàn)帶來極大困難，因此必須采用無損檢測技術對復合材料氣瓶缺陷進行檢測.目前，行業(yè)標準NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》中簡要介紹了射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等9種承壓設備無損檢測方法.但這幾種無損檢測方法難以對復合材料氣瓶纏繞層的分層缺陷進行檢測.相對于其他無損檢測技術，紅外檢測技術具有快速、非接觸、無需耦合、大面積、實時、遠距離檢測等優(yōu)點，非常適用于復合材料氣瓶分層缺陷的檢測.但由于目前國內(nèi)外對紅外檢測技術的研究大多集中應用在對金屬材料氣瓶的檢測上，對復合材料氣瓶檢測的研究還不夠深入，這嚴重影響了紅外檢測技術在結構可靠性分析上的推廣應用.故將采用紅外檢測技術對復合材料氣瓶纏繞層分層缺陷進行模擬分析，為纏繞層結構可靠性分析提供依據(jù)［4-6］.

2 模型建立和模擬過程

2.1 模型建立

以內(nèi)膽材料為30CrMo合金，纏繞層材料為E玻璃纖維-環(huán)氧樹脂［7-9］的復合材料氣瓶作為研究對象，其纏繞層分層缺陷設置為嵌入缺陷片形式，缺陷片材料為聚四氟乙烯，缺陷形狀為圓柱形缺陷，紅外模擬環(huán)境溫度25℃［10-11］.因氣瓶模型為軸對稱結構，故采用氣瓶模型的四分之一進行建模，以提高計算效率.該復合材料氣瓶的幾何尺寸如表1所示，材料熱物性參數(shù)如表2所示［12］.

表1 復合材料氣瓶的幾何尺寸Tab.1Geometric dimensions of composite cylinder

表2 復合材料氣瓶材料的熱物理性質(zhì)Tab.2Thermophysical properties of composite cylinder materials

因復合材料氣瓶模型為軸對稱結構，故采用氣瓶模型的四分之一進行建模，如圖1所示.

圖11 /4復合材料氣瓶模型Fig.1Model of 1/4 composite cylinder

2.2 模擬過程

采用Full Newton Raphson（全牛頓-拉普森）方法進行模擬求解.模擬工況在室溫下進行，初始溫度和參考溫度設定為25℃.在加熱過程中時間步長為0.002 s，加熱時間為0.1 s；冷卻過程中時間步長為0.01 s，冷卻時間為15 s.由于復合材料氣瓶模型為軸對稱結構，故將模型軸對稱面邊界條件設置為絕熱，非軸對稱面與空氣接觸，按對流傳熱求解［13-15］.采用熱流密度為熱載荷，將恒定的熱流密度加載到檢測面，采用脈沖加熱方式，加熱強度為5.0×105W/m2.

設置好后，分別?。孩佼斎毕莺穸萂、缺陷深度H不變時，缺陷直徑D變化；②當缺陷直徑D、缺陷厚度M不變時，缺陷深度H變化；③當缺陷直徑D、缺陷深度H不變時，缺陷厚度M變化3種工況進行模擬.將分析結果保存到rth文件，并提取缺陷處和非缺陷處對應表面節(jié)點溫度進行分析，對比不同工況下對熱像溫度差和熱像對比度的影響.

3 模擬結果與分析

3.1 缺陷直徑對熱像溫度差和熱像對比度的影響

設定缺陷厚度M=0.2 mm，缺陷深度H= 0.6 mm，缺陷直徑D=2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm進行模擬.模擬結果分析如圖2、圖3所示.

由圖2～圖3可知，隨著缺陷直徑D的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值也隨著增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值的出現(xiàn)時間有小幅度延遲.

3.2 缺陷深度對熱像溫度差和熱像對比度的影響

設定缺陷直徑D=3 mm，缺陷厚度M=0.2 mm，缺陷深度H=0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、1.0 mm、1.6 mm進行模擬.模擬結果分析如圖4、圖5所示.由圖4～圖5可知，隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值越來越小.當缺陷深度H越大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值出現(xiàn)的時間也越晚.

圖3 缺陷直徑不同時（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對比度峰值趨勢圖Fig.3Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect diameters

圖4 缺陷深度對（a）熱像溫度差和（b）熱像對比度的影響Fig.4Effects of defect depth on（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging

圖5 缺陷深度不同時（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對比度峰值趨勢圖Fig.5Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect depths

3.3 缺陷厚度對熱像溫度差和熱像對比度的影響

設定缺陷直徑D=3 mm，缺陷深度H=0.6 mm，缺陷厚度M=0.2 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm進行模擬.模擬結果分析如圖6、圖7所示.

由圖6～圖7可知，隨著缺陷厚度M的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值也變大，但當厚度M超過一定范圍后，溫度差峰值和對比度峰值逐漸趨于恒定值.

圖6 缺陷厚度對（a）熱像溫度差和（b）熱像對比度的影響Fig.6Effects of defect thickness on（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging

圖7 缺陷厚度不同時（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對比度峰值趨勢圖Fig.7Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect thicknesses

4 結語

筆者利用有限元方法對含分層缺陷的復合材料氣瓶進行紅外模擬分析.通過對不同缺陷直徑D、缺陷深度H、缺陷厚度M的分層缺陷紅外模擬分析，得出以下結論：

1）隨著缺陷直徑D的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值也隨著增大，這說明分層缺陷越容易被檢測出.當缺陷直徑D增大到一定程度后，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值曲線趨于平緩.

2）隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值與深度H呈反比關系，這說明分層缺陷深度越小時，缺陷越容易被檢測出.并且隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值點和熱像對比度峰值點出現(xiàn)時間延遲，這說明當缺陷深度H越大時，最佳檢測時間越長，理論檢測靈敏度越低.

3）隨著缺陷厚度M的增大，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值越來越大，這說明分層缺陷厚度越大時，缺陷越容易被檢測出.隨著缺陷厚度M增大到一定程度后，熱像溫度差峰值和熱像對比度峰值曲線趨于平緩.

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本文編輯：陳小平

Numerical Simulation of Delamination Defect of Composite Cylinder by Infrared Detection

ZHANG Hongpeng1，DING Keqin2*，XUE Bin1，TAO Fangze2，WEI Huazhong1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China

Aiming at the problem that the delamination defect of a composite cylinder can not be detected easily，we carried out infrared simulation analysis of the composite cylinder delamination defect through the ANSYS finite element method and the infrared detection technology.The paper studies the effects of different diameters,depths and thicknesses of composite cylinder delamination defect on temperature difference and contrast ratio of thermal imaging on the surface of composite cylinder.The results show that the peaks of temperature difference and contrast ratio of thermal imaging increase with the increase of defect diameter and thickness,which means that the delamination defect can be more easily detected.The peak of temperature difference and contrast ratio of thermal imaging are inversely proportional to defect depth，which proves that the delamination defect is more easily detected at the smaller defect depth.

composite cylinder；delamination defect；finite element；infrared detection

TH49

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.013

1674-2869（2016）06-0583-05

2016-05-20

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項（2013YQ470767-07）

張宏鵬，碩士研究生.E-mail：379709901@qq.com

*通訊作者：丁克勤，博士，研究員.E-mail：Kqding@sina.com