碳纖維增強復(fù)合平板新型渦流探頭的仿真與試驗研究*

孟杞鳳,宋 凱*,張麗攀,魏雅麗,孫莎莎

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.中國人民解放軍第五七零二廠,西安 712200)

碳纖維增強復(fù)合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)具有高比強度和比模量、性能可設(shè)計和易于整體成形等優(yōu)點,使其易于制作尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而滿足航天結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率的要求[1-2]。大量CFRP材料作為飛機結(jié)構(gòu)件承受復(fù)雜應(yīng)力,如C919大型客機的中央翼盒、內(nèi)外襟翼及垂直尾翼等,但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量在生產(chǎn)中不穩(wěn)定,缺陷的產(chǎn)生難以避免,如預(yù)浸料中的低分子雜質(zhì)、溶劑和水分揮發(fā)極易引起空隙、裂紋、分層等缺陷的形成,從而導(dǎo)致構(gòu)件或機械設(shè)備失效甚至發(fā)生重大事故,因此,開發(fā)設(shè)計新型傳感器快速檢測發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的損傷區(qū)域,對于預(yù)防航空航天關(guān)鍵構(gòu)件的斷裂故障和防止重大惡性事故的發(fā)生具有重要意義。

目前主要有超聲波檢測[3-5]、X射線檢測[6]、微波檢測[7]等技術(shù)用于CFRP材料缺陷檢測。Ziping Wang等人[4]根據(jù)正交各向異性壓電復(fù)合材料沿偏振方向的高靈敏度和方向性,設(shè)計了一種用于復(fù)合材料中內(nèi)部缺陷檢測用的低頻超聲相控陣換能器;Yuanjia Song、D’Orazio T[5]等采用超聲紅外熱像或常規(guī)超聲檢測技術(shù)識別出復(fù)合材料中分層、裂紋等缺陷。渦流檢測技術(shù)[8]利用被檢對象的電磁感應(yīng)特性,通過測量線圈中感應(yīng)量變化來實現(xiàn)缺陷的識別與評價,具有非接觸、無耦合、易于實現(xiàn)高速自動化檢測等特性。

由于碳纖維復(fù)合材料的弱導(dǎo)電性,國內(nèi)外學(xué)者對基于渦流原理的傳感器檢測性能開展了初步的探索。Wuliang Yin[9-10]研究團隊基于碳纖維復(fù)合材料對比自感式與互感式渦流探頭,發(fā)現(xiàn)自感式探頭對電導(dǎo)率各向異性的測量不準(zhǔn)確,而沿圓周不斷旋轉(zhuǎn)測量點的互感式探頭能準(zhǔn)確獲得電導(dǎo)率的非均勻性分布,為渦流檢測探頭的設(shè)計提供了參考。Lu Ma[11]設(shè)計兩組9線圈平面陣列傳感器,通過仿真和試驗對CFRP平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料板內(nèi)部直徑15 mm缺陷和位置的辨識,但缺陷深度較大,為35層碳纖維布厚。徐羽[12]采用環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)的傳感器檢測單方向和編織型碳纖維復(fù)合材料平板,利用比較電感值和線性反投影算法粗略辨識出缺陷的位置,然而線圈環(huán)形陣列中心磁場較弱,對缺陷敏感度較低,并不適合平板工件缺陷的檢測。李雯[13]針對檢測對象的形狀不同列舉了全包圍式、半包圍式、倒“L”型等多種傳感器陣列結(jié)構(gòu),但并未對埋深缺陷進(jìn)行檢測研究。

為探究渦流探頭對CFRP表面及內(nèi)部缺陷檢測的有效性及可行性,本文設(shè)計了檢測線圈立放式渦流探頭,建立了三維有限元模型,對比了檢測線圈立放與平放的檢測靈敏度,并研究了新型渦流探頭的檢測性能,為碳纖維復(fù)合材料的渦流檢測探頭設(shè)計提供了參考。

1 渦流檢測原理

在激勵線圈中通以交流電,由電磁感應(yīng)原理激勵線圈產(chǎn)生主磁場B1,進(jìn)而在導(dǎo)電材料中產(chǎn)生渦流,該渦流感應(yīng)出一個次級磁場ΔB如圖1所示,當(dāng)工件中存在缺陷時,會引起渦流的畸變,磁場的變化。據(jù)麥克斯韋方程組推導(dǎo)知,磁場的變化可通過檢測線圈感應(yīng)電壓的波動來表達(dá)。

圖1 磁場與渦流示意圖

引入矢量磁位A使B=×A(B為主磁場與次級磁場的矢量和),結(jié)合式×φ≡0,據(jù)麥克思維方程組可得式(1)

(1)

其中,φ為標(biāo)量電勢。因此,在忽略位移電流影響的時諧電磁場中A與φ存在式(2)的關(guān)系,

×(×A/μ)+jω(A+φ)=J

(2)

(3)

基于上述分析,缺陷引起磁場的變化可反映為V的波動。

由理論分析可知,ΔB+B1較B1相位延遲了φ度,如圖2所示,且ΔB與B1存在式(4)所示的相關(guān)性:

(4)

式(4)中ω為激勵源的角頻率,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),σ為被測對象的電導(dǎo)率。其中,ΔB的實部由位移電流產(chǎn)生,與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān);ΔB的虛部由渦流感應(yīng)產(chǎn)生,該參數(shù)與材料的電導(dǎo)率分布及施加在激勵線圈上的頻率的大小成線性關(guān)系[14]。因此,本文采集檢測線圈感應(yīng)電壓的虛部分量進(jìn)行分析。

圖2 主磁場與次級磁場矢量關(guān)系

2 仿真模型計算

2.1 模型及參數(shù)

CFRP平板構(gòu)件的仿真模型由CFRP平板、渦流探頭組成,如圖3(a)所示。CFRP平板長度L為150 mm,寬度W為90 mm,厚度D為4 mm,電導(dǎo)率σ為 5×10-2Ms/m,為簡化仿真模型,CFRP平板的電導(dǎo)率設(shè)置為各項同性。新型渦流探頭采用激勵-接收型,其中激勵線圈軸線垂直于平板表面,線圈為圓形,其內(nèi)半徑rex1為2 mm,外半徑rex2為3 mm,匝數(shù)n為50,線徑為0.06 mm,高度h為1 mm。為增強探頭對構(gòu)件損傷的敏感性,檢測線圈放置方式較為關(guān)鍵,模型設(shè)計包括檢測線圈軸線垂直與平行激勵線圈軸線兩種方式?？紤]到減小檢測線圈與CFRP構(gòu)件的提離距離可有效增強拾取的缺陷信號,則將檢測線圈設(shè)計成跑道型,布置方式如圖3(b)、圖3(c)所示,檢測線圈的內(nèi)半徑rde1為1 mm,外半徑rde2為2 mm,直道長len為4 mm,匝數(shù)n為50,線徑為0.06 mm,高度h為 1 mm。計算模型參數(shù)如表1所示,其中,Dis為線圈間距;Lift-off/為提離高度;ρ為線圈電導(dǎo)率;I、f分別為激勵電流、頻率。

圖3 探頭模型圖

單位:mm

由于模型設(shè)計涉及電磁場計算的開域問題,在模型周圍建立足夠大的空氣域,以消除對線圈磁場的截斷效應(yīng),并將空氣域分為近場空氣和遠(yuǎn)場空氣。采用SOLID97單元定義工件、線圈及近場空氣;以INFIN111單元定義遠(yuǎn)場空氣;考慮到單元的兼容性,故采用CIRCU124電路單元。對材料進(jìn)行附屬性后,對規(guī)則形狀的工件、線圈等采用映射劃分網(wǎng)格,遠(yuǎn)場空氣采用掃略劃分方式以提高計算速度及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為保證跑道型線圈中電流流向,在線圈耦合外電路時定義弧形部分為柱坐標(biāo)系,矩形部分為笛卡爾坐標(biāo)系。通過選用稀疏矩陣對規(guī)模較大的三維渦流場-路耦合分析計算,由后處理模塊獲得檢測線圈的感應(yīng)電壓等參量。

2.2 檢測線圈放置方式對檢測信號的影響

如圖3(b)、圖3(c)所示當(dāng)檢測線圈軸線與激勵線圈軸線相垂直和平行時分別定義為垂直式探頭和平行式探頭,模型參數(shù)一致僅檢測線圈放置方式不同。激勵線圈與平板的提離距離為1.5 mm,檢測線圈與平板的提離距離為0.5 mm,如圖4所示,按箭頭指示方向移動探頭掃查10 mm×6 mm×2 mm的體積型缺陷,掃查距離在圖4中被標(biāo)記為(6,12,…,60 mm)。

圖4 探頭掃查缺陷圖

圖5為垂直式與平行式探頭掃查缺陷時線圈感應(yīng)電壓變化量ΔV的擬合結(jié)果,ΔVm為相應(yīng)最值,其中垂直式與平行式擬合標(biāo)準(zhǔn)差都為0.01%。由圖5可以看出,與平行式探頭檢測缺陷的信號變化相同,垂直式探頭感應(yīng)電壓值在缺陷處產(chǎn)生明顯的單波峰信號,但垂直式探頭ΔV明顯較高,其中垂直式探頭ΔVm為0.66 mV,比平放式0.44 mV增加了50%。由圖5可見,垂直放置方式檢測線圈對缺陷引起的次級磁場的變化更敏感,大大提高了傳感器的靈敏度。

圖5 垂直式與平行式探頭檢測結(jié)果圖

2.3 缺陷位置對檢測信號的影響

圖6為采用上述仿真參數(shù)模擬缺陷移動而探頭靜止的掃查方式,檢測結(jié)果如圖7所示,其中ΔV1的擬合線標(biāo)準(zhǔn)差為0.003%。

圖7 仿真檢測結(jié)果

圖7中ΔV隨缺陷漸近線圈而增大,又隨缺陷遠(yuǎn)離線圈而減小,在18 mm～48 mm內(nèi)劇烈變化,并在線圈的正下方位置30 mm和36 mm處達(dá)到最大,說明新型渦流探頭對碳纖維增強復(fù)合材料平板表面缺陷具有較強的敏感性,能夠準(zhǔn)確辨識出缺陷所處位置。因此新型渦流探頭適用于CFRP平板表面損傷的檢測。

由原理分析可知,復(fù)材平板中斷絲缺陷的存在使得渦流畸變,從而引起磁場的變化,進(jìn)而使得檢測線圈感應(yīng)電壓發(fā)生波動產(chǎn)生缺陷信號,但渦流場的有限性使得檢測線圈只能感應(yīng)到其附近的磁場變化,而對于遠(yuǎn)處則不敏感,即表現(xiàn)為6 mm范圍內(nèi)缺陷的有效感應(yīng)。

由于圖6中兩檢測線圈關(guān)于激勵線圈位置對稱,且激勵線圈為圓形,所以兩檢測線圈的主磁場B1一致。當(dāng)缺陷位于檢測線圈2下方時,缺陷與檢測線圈1的距離為7 mm,兩個檢測線圈的次級磁場ΔB有較大差異,因此導(dǎo)致ΔV2m為4 mV,ΔV1m為1.6 mV。

3 試驗研究

3.1 渦流檢測系統(tǒng)

采用16層3K平紋200 g碳纖維布、E51環(huán)氧樹脂和CAS[112-24-3]三乙烯四胺加工碳纖維復(fù)合材料平板,其中填充聚丙烯模擬缺陷。待檢試樣為尺寸規(guī)格為150 mm×90 mm×4 mm,缺陷尺寸為10 mm×12mm×2 mm,如圖8所示。

圖8 被檢試件

試驗系統(tǒng)如圖9所示,該系統(tǒng)主要包括傳感器、信號發(fā)生器、功率放大器、鎖相放大器和計算機。信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號,經(jīng)功率放大后加載至傳感器激勵線圈,檢測線圈的感應(yīng)信號在鎖相放大器中被采集并在濾除噪聲干擾后,由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

圖9 檢測系統(tǒng)

3.2 試驗結(jié)果與分析

設(shè)置激勵信號為峰峰值為5 V,頻率200 kHz的正弦信號;功率放大器輸出電壓值為10 V,持續(xù)驅(qū)動電流為1 A。應(yīng)用MATLAB根據(jù)缺陷位置對測量結(jié)果進(jìn)行離散、擬合處理,得到試驗與仿真ΔV2變化如圖10所示,對CFRP平板反面檢測結(jié)果如圖11所示。

圖10 仿真與實驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖

圖11 CFRP板反面檢測擬合曲線

由圖10可知,與仿真結(jié)果一致,試驗中傳感器對CFRP平板中的缺陷極為敏感,檢測線圈在感應(yīng)到缺陷引起的磁場的畸變后產(chǎn)生尖銳的單峰波動信號。其中,仿真和試驗數(shù)據(jù)擬合曲線標(biāo)準(zhǔn)差為0.07%和 0.11%。這表明試驗結(jié)果與仿真相吻合,說明新型渦流探頭具有較高的靈敏度,對CFRP平板檢測缺陷具有很好的檢測效果。

圖11中ΔV2m變化與圖10中CFRP板正面檢測試驗結(jié)果相同,都在缺陷處產(chǎn)生單峰波動信號。不難發(fā)現(xiàn)探頭對埋深為2 mm的內(nèi)部缺陷也有較強的敏感性。隱藏缺陷改變了材料板內(nèi)渦流場的大小、相位及流動形式,同時引起次級磁場發(fā)生變化,進(jìn)而使得檢測線圈阻抗及電壓信號發(fā)生劇烈的波動。其中CFRP板正反面檢測ΔV2m分別為40.3 mV、2.1 mV,板反面檢測擬合曲線標(biāo)準(zhǔn)差為0.02%。這是由于磁場能量隨CFRP深度增加而逐漸減弱,隱藏缺陷引起的磁場畸變小于表面缺陷的影響。圖11表明新型渦流探頭對隱藏缺陷敏感,能夠有效檢測復(fù)合材料板隱藏缺陷或損傷。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計了一種新型渦流傳感器,采用檢測線圈軸線垂直激勵線圈軸線放置方式設(shè)計可以極大的提高傳感器的靈敏度,感應(yīng)電壓虛部變化量比平放式線圈提高50%。此外,新型渦流探頭可有效的檢測碳纖維增強復(fù)合材料平板表面及一定范圍埋深的隱藏缺陷,檢測CFRP板內(nèi)埋深2 mm～4 mm隱藏?fù)p傷感應(yīng)電壓虛部變化量為2.1 mV。

本文設(shè)計開發(fā)的新型渦流探頭對復(fù)合材料制造質(zhì)量監(jiān)控和結(jié)構(gòu)安全檢查等無損檢測具有重要的意義,為渦流探頭提高靈敏度設(shè)計提供了有價值的參考。