基于多模式超聲成像的CFRP沖擊損傷無損表征與沖擊后壓縮強度預測

張偉，王彬文，樊俊鈴，詹紹正，焦婷，楊宇

1．中國飛機強度研究所，西安 710065

2．西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049

碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics， CFRP）具有比強度和比剛度高、耐腐蝕及抗疲勞等諸多優(yōu)點，越來越多地替代金屬材料用于現代航空工業(yè)中［1-2］。但CFRP層壓結構的多鋪層、非均質和各向異性導致其對垂直于鋪層方向的沖擊載荷較為敏感，即使在低能量沖擊情況下，也可能使其內部產生各種不可見的損傷，導致結構壓縮承載性能急劇降低［3］。鑒于此，在CFRP結構設計、試驗、制造裝配和服役過程中均對沖擊損傷的檢出和定量表征給予了密切關注。如在飛行器結構設計和試驗階段，需要研究沖擊能量、損傷位置、模式及尺寸等特征對材料力學性能的影響，為結構許用值和損傷容限設計提供基礎數據支持［4］。在制造和服役過程中，要求能夠及時發(fā)現和表征各種意外墜落或外物撞擊等引起的沖擊損傷，為結構承載性能評估和維修維護提供可靠的信息輸入［5-6］。

宏觀上的多鋪層和各向異性、細微觀上的多相和非均質性導致CFRP的損傷模式和失效破壞機理與金屬、各向同性及一般均質各向異性材料完全不同［7］。在沖擊載荷作用下，CFRP層壓結構主要靠彈性變形和損傷破壞來吸收能量，高能量沖擊將會導致材料表面出現目視明顯可見的凹坑，甚至被沖擊物穿透，而低能量沖擊損傷在CFRP層壓板表面目視并不明顯［8］。在工程應用中，高能量沖擊損傷比較容易被發(fā)現并得到及時修補，由于具有層壓和吸能的特點，低能量沖擊損傷難以通過目視觀察發(fā)現，但其內部損傷可能已超過了設計要求的損傷容限。隨著CFRP的應用范圍逐漸從升降舵、方向舵和減速板等次承力構件向中央翼盒和機身筒段等主承力和復雜承力構件拓展，相應地，CFRP構件在制造、加工和服役過程中發(fā)生工具墜落、冰雹和跑道碎石等沖擊事件的概率大幅上升。

近年來，國內外關于CFRP內部沖擊損傷無損表征的研究工作受到廣泛關注，很多無損檢測技術均有所應用。其中，超聲檢測由于具有檢測靈敏度高、對人體無害以及便于現場使用等優(yōu)點，已成為航空工業(yè)中應用最為廣泛的無損檢測技術之一。國內外學者圍繞CFRP缺陷和損傷超聲無損表征開展了大量研究，研究工作涉及常規(guī)超聲［9-11］、相控陣超聲［12-13］、激光超聲［14］、空氣耦合超聲［15］、非線性超聲［16］及超聲顯微鏡［17］等。其中，激光超聲和空氣耦合超聲具有非接觸、無污染、易于實現自動化等優(yōu)勢，脈沖寬度可達到納秒級，具有很高的微小損傷檢測能力?？諝怦詈铣暿且环N以空氣作為耦合介質的非接觸聲學檢測方法，除了耦合介質差異外，在超聲激發(fā)與聲傳播機理方面與傳統(tǒng)超聲檢測技術相比差異不大。非線性超聲主要基于超聲波在CFRP中傳播時內部損傷與超聲波相互作用產生的非線性響應信號，通過分析非線性參量的變化規(guī)律對損傷進行表征，其對材料細微觀損傷較為敏感。超聲顯微鏡主要利用短波長高頻聲波對待檢材料進行掃描成像，具有較高的縱向分辨力，能夠實現CFRP厚度方向上層間分層、基體裂紋和纖維斷裂等多模式損傷的高精度逐層成像，但高頻超聲（50~1 000 MHz）在CFRP中衰減較大，對5 mm以上大厚度結構的適用性還存在明顯不足。

目前，常規(guī)超聲和相控陣超聲檢測技術在CFRP沖擊損傷表征中最為常用，國內外學者在基礎理論研究、技術探索、專用設備研發(fā)和工程化應用等方面取得了一系列突破性成果。劉松平等［18］深入分析了脈沖超聲波在含分層損傷CFRP中的傳播行為，利用超聲脈沖波在分層界面處的聲壓反射系數，實現了5 MHz檢測頻率下分層損傷的超聲可視化成像評估。劉菲菲等［19］基于超聲脈沖回波法，通過超聲B掃描和T掃描進行了CFRP分層損傷成像評估。試驗結果表明，通過超聲B掃描成像，可以再現層壓結構試樣表面和內部分層損傷在其不同深度方向的斷面分布、取向、擴展及深度等確切信息，通過超聲T掃描成像，則可以直觀地顯示損傷在試樣不同深度鋪層方向的損傷區(qū)域（面積）、分布及其擴展特征。Wang等［12］提出了一種基于相控陣超聲的CFRP沖擊損傷三維重構技術，利用10 MHz線陣超聲探頭的時域回波振幅特征，采用?6 dB法從體積和面積兩方面表征分層損傷大小，并建立了沖擊能量與損傷體積/面積的預測模型。總體而言，現有研究工作主要集中于CFRP損傷的檢出和二維成像，很少涉及損傷三維分布特征及損傷后剩余強度的無損表征。

針對以上問題，以AC631/CCF800H復合材料層板為研究對象，提出了一種基于多模式超聲成像的CFRP層板沖擊損傷表征與沖擊后壓縮強度預測方法。在損傷定量表征方面，利用相控陣超聲對CFRP層板沖擊損傷進行B掃描、聲程C掃描和層析C掃描等多模式成像，系統(tǒng)分析了CFRP層板結構的沖擊損傷特性。在力學性能預測方面，以層析C掃描圖像為基礎，引入等效開孔尺寸對其沖擊后壓縮強度進行了預測。試驗結果表明：多模式超聲成像技術能夠有效描述CFRP層板內部分層損傷的形貌、尺寸及三維空間分布特征，基于層析超聲C掃描圖像的等效開孔體積與沖擊后壓縮強度的相關性更大，預測結果也更為精確。研究成果可為復合材料沖擊損傷過程的精細化分析和材料力學性能定量無損表征提供一定的借鑒和參考。

1 原理及方法

1.1 CFRP沖擊損傷多模式超聲成像

超聲波在CFRP結構中的傳播行為與聲波波長λ和CFRP單鋪層厚度di密切相關，當λ?di時，CFRP可視為均勻層狀聲學介質［20］，本研究中CFRP層板的縱波聲速為2 870 m/s，5 MHz檢測頻率下的縱波波長約為0.57 mm，遠大于單鋪層厚度0.125 mm，聲波不會在單鋪層層間界面產生時域可辨的反射回波。當CFRP內部存在缺陷或損傷時，異質界面的出現會顯著改變材料的聲學連續(xù)性，引起聲波的反射和散射，反射聲波的能量通常用聲壓反射系數rc表示［21］：

式中：c1和c2分別為聲波在CFRP和損傷區(qū)域中的傳播速度；ρ1和ρ2為CFRP和損傷區(qū)域的密度，式（1）中聲壓反射系數rc的絕對值越大，表示聲波反射越強烈。對于分層損傷，分層區(qū)域可視為空氣界面，則rc無限趨近于?1，此時聲波在分層界面近似全反射，時域波形中會出現明顯的分層界面反射回波。同時，通過提取回波信號的傳播時間tk，即可確定出分層損傷的深度：

前期研究表明，對于含沖擊損傷CFRP層板結構，分層損傷在沖擊點附近和沿試驗件厚度方向均可能出現，導致時域信號中回波數量與位置有很大不確定性，如在無損傷位置僅有出現表面和底面回波，而在分層位置，回波幅值會隨著分層大小和深度的變化而變化，且檢測信號中會疊加結構噪聲、電磁噪聲等干擾信號，分層損傷精確表征難度進一步增大。針對這一問題，本研究提出采用多模式超聲成像技術對CFRP層板損傷及損傷過程進行分析。多模式超聲成像原理如圖1所示，傳統(tǒng)相控陣超聲成像模式主要有B掃描、聲程C掃描和D掃描（可視為側面B掃描），每種成像方式都各有側重。假設沖擊損傷上任意一點P，其在B掃描圖像上表示為B（xi，zk），在聲程C掃描上表示為C（xi，yi，z∑k），利用B掃描圖像能夠獲得損傷的深度信息zk，但無法獲得損傷沿鋪層方向的形貌信息，利用層深C掃描可以獲得損傷在厚度方向上的投影z∑k，但難以實現損傷的三維逐層成像。

圖1 多模式超聲成像原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-mode ultrasound imaging

圖2 沖擊損傷多模式超聲成像Fig.2 Multi-mode ultrasound imaging for impact damage

針對以上問題，提出了一種多種成像模式相結合的CFRP沖擊損傷表征方法。首先，利用超聲B掃描成像再現CFRP內部損傷的斷面分布、擴展情況以及深度等信息，通過掃描斷面的設置和選擇，能夠以給定的步進量獲取被檢CFRP在厚度方向任意斷面的超聲圖像，如圖2（a）所示。B掃描圖像中橫坐標與相控陣超聲探頭在試樣上掃描的實際位置一一對應，縱坐標則與試樣厚度嚴格對應，通過B掃描成像能夠有效表征分層損傷在CFRP厚度方向的分布情況。同時，利用時域信號中最大損傷反射回波的位置進行聲程C掃描成像，獲得沖擊損傷沿整個厚度方向上的分層損傷投影和尺寸信息，如圖2（b）所示。隨后，基于B掃描圖像獲得的分層損傷深度信息zk，對聲程C掃描圖像進行圖像分離和損傷層析成像，進而得到沖擊損傷的層析C掃描圖像C（xi，yi，zk）。圖2（c）給出了含沖擊損傷CFRP試驗件的相控陣超聲層析C掃描成像結果，結果表明，層析C掃描圖像能夠有效揭示CFRP分層損傷的位置、尺寸和分布信息，為實現CFRP層板結構沖擊損傷三維空間分布及其特征的可視化分析和量化評估提供了一種可靠的量化分析方法。

1.2 CFRP沖擊后壓縮強度預測

復合材料沖擊后壓縮強度（Compression af?ter Impacting， CAI）是衡量其損傷容限的重要指標［4］。目前，工程領域主要通過大量的破壞性壓縮試驗獲得復合材料的CAI和設計許用值，或利用沖擊后凹坑深度和分層損傷面積等無損方法對其力學性能進行評估［22］。一般來說，力學性能試驗主要用于材料體系設計和強度驗證階段，得到的CAI值最為精確可靠，但試驗成本較高，需要耗費大量的人力物力，且難以實現復雜裝配和在役狀態(tài)下的結構強度預測。與破壞性試驗相比，無損檢測技術能夠在不破壞結構完整性和使用性能的前提下，通過分析光、聲、熱等檢測信號的變化，實現材料物理力學性能的無損表征。

對于CFRP層板結構，凹坑深度法和最大開孔體積法是目前工程中最為常用的CAI預測方法。凹坑深度法通過測量材料沖擊后產生的凹坑深度D0與試驗測量CAI值進行擬合，進而獲得凹坑深度D0-CAI擬合曲線。最大開孔體積法首先利用超聲、紅外或射線等無損檢測方法獲得最大分層面積Smax，隨后將其視為體積為Vmax的貫穿通孔，進而得到最大開孔尺寸Vmax-CAI擬合曲線。已有實驗表明，CFRP分層損傷具有顯著的空間金字塔狀擴散分布特征，且損傷的取向、形貌和面積均表現出了一定的離散性，凹坑深度法僅能反映層板表面和近表面的損傷狀態(tài)，缺少內部損傷信息，而最大開孔體積法顯然過高估計了CFRP層板的損傷程度。針對這一問題，本文提出基于層析C掃描圖像信息，分別采用凹坑深度法、最大開孔體積法和等效開孔體積法對CFRP層板結構CAI值進行預測。如圖3所示，假設CFRP層板厚度為H，凹坑深度為D0，首先，基于1.1節(jié)的超聲層析C掃描成像技術獲得分層損傷的深度hi和分層面積Si，進而將其等效為體積為Vmax（最大開孔體積）和Vequ（等效開孔體積）的貫穿通孔，隨后，分別以D0、Vmax和Vequ作為自變量x，以實驗測量沖擊后壓縮強度σCAI作為觀測值，采用最小二乘法進行線性回歸擬合：

圖3 最大開孔尺寸和等效開孔尺寸計算示意圖Fig.3 Schematic diagram for calculation of the maxi?mum through-hole volume and equivalent through-hole volume

同時，引入決定系數R2和均方根誤差RMSE 2個統(tǒng)計學指標對3種方法的預測性能進行評價，決定系數R2越大、均方根誤差RMSE越小，則預測精度越高，當R2= 1時，表示預測值與真實值完全一致。R2和RMSE的表達式分別為

2 材料與實驗

2.1 試驗件制備

試驗采用的CFRP多向層板為AC631/CCF800H雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料體系，預浸料鋪層總數40，鋪層（0°/±45°/90°）比例為40/50/10，采用熱壓罐固化工藝成型，固化后試驗件名義厚度5 mm，單鋪層厚度為0.125 mm。根據美國材料實驗協(xié)會“測量纖維增強聚合物基體復合材料抗落錘沖擊損傷的試驗方法”標準（ASTM D7136）進行試驗件加工制備，試驗件尺寸為150 mm×100 mm，沖擊點設置在試驗件中心位置，試驗件制備完成后進行超聲C掃描初檢，保證試驗件不含初始分層損傷。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復合材料的物理和力學性能分散性較大，為保證試驗結果具有可靠的統(tǒng)計學意義，共制備了30塊CFRP層板試驗件。首先，通過沖擊試驗引入不同程度的低能量沖擊損傷，隨后，采用相控陣超聲對CFRP內部分層損傷進行定量表征，最后，對含損傷CFRP層板進行破壞性壓縮測試，獲得其沖擊后壓縮強度試驗測量值。

2.2 CFRP沖擊與沖擊后壓縮試驗

沖擊試驗按照ASTM D7136標準實施，采用自主研發(fā)的落錘式沖擊系統(tǒng)進行試驗，系統(tǒng)同時配備防二次沖擊控制和應力-應變實時監(jiān)測裝置。試驗時將試驗件置于沖擊支持夾具中，并用橡膠壓墊固定，采用直徑16 mm的半圓形鋼沖擊頭對試驗件中心進行沖擊，通過調節(jié)沖擊能量的大小，在試樣幾何中心分別引入35 J和60 J兩種沖擊損傷。沖擊完成48 h后，采用千分尺測量并記錄試驗件表面凹坑深度。

采集到損傷檢測數據后，按ASTM D7136標準進行CFRP層板沖擊后壓縮試驗，試驗條件為室溫干態(tài)，加載裝置采用美國Instron綜合材料試驗平臺。試驗正式開始前，對試驗件分5級施加壓縮載荷，調整試驗夾具在壓縮平臺上的位置，保證試驗件受載均勻。試驗正式開始后，以2 mm/min的加載速率連續(xù)加載至試驗件破壞，同時測量各級載荷下的應變值，記錄試驗件的壓縮破壞載荷和失效模式。CFRP層板試驗件沖擊后壓縮強度σCAI按式（8）計算：

式中：Pmax為壓縮破壞載荷；A為試驗件的橫截面積。

2.3 相控陣超聲檢測

通過沖擊試驗引入沖擊損傷后，采用相控陣超聲進行損傷成像和定量表征。相控陣超聲檢測系統(tǒng)如圖4所示，主要包括相控陣超聲主機、線性陣列輪式探頭和筆記本電腦。相控陣超聲主機為英國Sonatest公司研制的RapidScan 2相控陣超聲檢測儀，探頭為AWP-05-128線性陣列輪式探頭（中心頻率5 MHz、陣元總數128）。相控陣超聲采用縱波垂直入射和線性聚焦掃查，聲束只聚焦不偏轉，激活孔徑設置為8，陣元步距設置為1，即每次通過軟件控制激發(fā)8個陣元產生超聲聲束，從第1陣元到第128陣元依次移動激發(fā)。采集完成后將原始時域數據導出至筆記本電腦進行后處理和多模式損傷成像。

圖4 相控陣超聲檢測系統(tǒng)Fig.4 Ultrasonic phased array testing system

3 結果分析與討論

3.1 沖擊損傷成像與損傷特征

圖5 相控陣B掃描成像結果Fig.5 B-scan image of phased array ultrasonic testing

基于相控陣超聲檢測試驗，圖5給出了60 J沖擊能量下CFRP試驗件的相控陣超聲B掃描成像結果，圖中F表示試驗件表面反射回波，B表示試驗件底面反射回波，Di表示第i個分層損傷的界面反射回波?？梢园l(fā)現，在無損傷區(qū)域，底面反射回波清晰可見，且與表面反射回波間的圖像分布均勻，在損傷區(qū)域，表面回波后出現多個分層損傷引起的界面反射回波，并逐漸向兩側擴展，此外，由于超聲波在分層界面處近似于全反射，導致在分層界面反射回波后形成聲波無法透過的聲陰影區(qū)S。分析認為，CFRP試驗件在沖擊載荷作用下，首先在沖擊點I0附近產生與沖擊頭直徑大小相當的近表面分層，隨著沖擊能量沿試驗件厚度方向傳遞，CFRP內部不同深度鋪層位置逐漸產生新的分層損傷，且以沖擊點I0為中心，分層損傷在厚度方向呈現出明顯的金字塔狀擴散分布特征。

為進一步分析CFRP在沖擊載荷下的損傷特征，圖6和圖7分別給出了35 J和60 J沖擊能量下兩組CFRP試驗件的相控陣聲程C掃描圖像，即分層損傷在鋪層方向的二維分布和疊加面積投影。從圖中可以發(fā)現，60 J沖擊能量下的聲程C掃描圖像損傷面積較35 J沖擊能量有所增大，但檢測圖像的損傷特征基本一致。以沖擊能量60 J的聲程C掃描成像結果為例，沖擊點附近出現了明顯的聲程變化，在沖擊區(qū)中心區(qū)域，超聲界面反射回波的聲程較短，分層損傷主要出現在試驗件0.5~1.0 mm的厚度范圍內，且面積較??；以沖擊點為中心，沖擊損傷深度和面積呈現沿周向逐漸增大和向外擴展的趨勢，進一步體現了分層損傷在CFRP厚度方向的金字塔狀擴散分布特征。此外，表1給出了同一沖擊能量下，同組不同試樣的最大分層面積對比，可以發(fā)現，由于復合材料固有的多鋪層各向異性，導致沖擊能量與損傷面積間并不是簡單的一一對應關系，特別是沖擊能量較低時，同組試驗件的最大分層面積、分層損傷的取向和形貌均表現出了明顯的離散性，進一步增大了CFRP沖擊損傷精確定量表征及沖擊后壓縮強度預測的難度。

圖6 聲程C掃描成像結果（沖擊能量35 J）Fig.6 Depth C-scan images of CFRP laminates （impact energy 35 J）

圖7 聲程C掃描成像結果（沖擊能量60 J）Fig.7 Depth C-scan images of CFRP laminates （impact energy 60 J）

表1 不同試樣最大分層面積對比Table 1 Comparison of the maximum delamination areas of different samples

3.2 沖擊后壓縮強度預測

基于1.2節(jié)中提出的損傷等效方法，分別對35 J和60 J沖擊后試驗件（各15件）的凹坑深度D0、最大開孔體積Vmax和等效開孔體積Vequ進行計算和統(tǒng)計，并按ASTM D7136標準進行CFRP層板沖擊后壓縮試驗，記錄試驗件CAI實驗測量值。

圖8和圖9分別給出了含35 J和60 J沖擊損傷CFRP層板的壓縮強度最小二乘線性擬合曲線和統(tǒng)計學指標。結果表明，在沖擊能量較低時（35 J），CAI與凹坑深度、最大開孔體積及等效開孔體積均呈現明顯的負相關，3種方法的擬合決定系數分別為0.63、0.78和0.91，均方根誤差分別為10.31、7.36和4.34 MPa。當沖擊能量較高時（60 J），CAI與凹坑深度相關性較差，與最大開孔體積及等效開孔體積依然呈現顯著負相關，3種方法的擬合決定系數分別為0.12、0.82和0.87，均方根誤差分別為9.87、4.56和3.06 MPa。

分析認為，在沖擊載荷作用下，CFRP層板通過彈性變形和內部損傷吸收了大部分沖擊能量，沖擊凹坑難以反映試驗件內部損傷狀態(tài)，導致其擬合曲線的預測性能較差，而對于最大開孔體積法和等效開孔體積法，超聲檢測圖像中包含了更為豐富的內部損傷信息，CAI預測結果也更為準確。對比最大開孔體積法和等效開孔體積法的預測結果可以發(fā)現，在低能量沖擊損傷狀態(tài)下，等效開孔尺寸法的決定系數和均方根誤差明顯優(yōu)于最大開孔尺寸法，而在高能量沖擊損傷狀態(tài)下，二者的預測性能較為接近。分析認為，當沖擊能量較低時，CFRP層板分層主要集中于試驗件局部區(qū)域，不同位置的分層面積相差較大，最大開孔體積法過高估計了試驗件損傷的損傷程度，導致預測結果較差，當沖擊能量遠高于CFRP層板的抗沖擊阻抗時，沖擊點附近出現嚴重的多鋪層纖維斷裂和基體破碎，甚至形成貫穿性穿透損傷，此時最大開孔體積與等效開孔體積相差不大，因此二者的預測性能較為接近。綜上所述，無論是對于低能量沖擊后壓縮強度還是高能量沖擊后壓縮強度，本文提出的等效開孔體積法均具有較高的擬合相關性和預測精度。

圖8 CFRP沖擊后壓縮強度預測結果（沖擊能量35 J）Fig.8 Prediction of compressive strength after impact for CFRP （impact energy 35 J）

圖9 CFRP沖擊后壓縮強度預測結果（沖擊能量60J）Fig.9 Prediction of compressive strength after impact for CFRP （impact energy 60 J）

4 結 論

1）基于多模式超聲成像技術，實現了不同沖擊載荷下CFRP層板內部損傷的可視化分析。利用B掃描成像，清晰地再現了CFRP內部損傷的斷面分布、擴展情況以及深度等信息，通過聲程C掃描成像，能夠獲得分層損傷沿試樣件厚度方向上的二維投影和損傷尺寸。

2）將超聲B掃描和層深C掃描成像相結合構造了層析C掃描圖像，發(fā)現分層損傷在試驗件三維空間呈金字塔狀擴散分布，并實現了分層損傷空間位置和形貌信息的量化表征。

3）采用等效開孔體積法對CFRP層板結構CAI值進行了預測，試驗結果表明，與凹坑深度擬合和最大開孔體積擬合等傳統(tǒng)方法相比，基于層析超聲C掃描圖像的等效開孔體積與沖擊后壓縮強度相關性更大，預測結果也更為精確。

4）研究成果可為復合材料沖擊損傷過程精細化分析和材料力學性能定量無損表征提供一定的借鑒和參考。