振動激勵條件下復(fù)合材料損傷生熱的分析論文
振動熱成像技術(shù)，又稱為超聲激勵熱成像技術(shù)，是一種將超聲波振動能量作為激勵源，引起材料表面或淺表面損傷部位生熱，同時使用紅外熱像儀獲取紅外圖像的無損檢測方法，是紅外熱波探傷的最新研究領(lǐng)域。該技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代末，受當(dāng)時紅外傳感技術(shù)的限制，未能被深入研究和展開應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后，隨著先進(jìn)紅外熱像儀和新型超聲波發(fā)生器的出現(xiàn)，再次引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。2000年，L。D。Favro等首次采用超聲波焊接發(fā)生器作為振動激勵源，用紅外熱像儀分別記錄了鋁板上5mm和0。7mm疲勞裂紋的發(fā)熱現(xiàn)象。D。Mayton等開展了對該技術(shù)的可重復(fù)性、可靠性及檢測能力的研究，并設(shè)計試驗對檢測過程中的影響因素進(jìn)行了分析通過對檢測前后裂紋尺寸的測量證明超聲激勵不會引起裂紋增長。S。D。Holland等通過對裂紋微觀形貌的實驗研究，進(jìn)一步證實超聲激勵下，裂紋面發(fā)生了摩擦，從而使裂紋區(qū)域產(chǎn)生熱量。張淑儀等對HWRX—3型紅外熱像儀進(jìn)行了擴(kuò)展改進(jìn)并用于振動熱成像檢測法中，成功檢測了鋁合金板上的疲勞裂紋。楊小林等對某航空碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行檢測，證明振動熱成像檢測法可檢出脈沖激勵方法無法發(fā)現(xiàn)的微裂紋。王成亮等針對飛機(jī)復(fù)合材料試件的工藝和人為缺陷進(jìn)行了振動熱成像無損檢測試驗研究，結(jié)果表明該項檢測技術(shù)可以有效檢測復(fù)合材料試件中的損傷，特別是淺層、閉合類損傷。目前，該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料損傷檢測時的生熱機(jī)理研究還不夠深入，設(shè)計試驗缺乏針對性，檢測設(shè)備還有待進(jìn)一步工程化。
為此，本文基于振動熱成像技術(shù)的現(xiàn)狀及復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量快速檢測的迫切需求開展研究，通過對振動激勵下?lián)p傷生熱的力—熱耦合機(jī)理分析，建立溫度場分布模型。基于有限元方法對預(yù)埋三種典型損傷的復(fù)合材料模型開展數(shù)值仿真。設(shè)計制作相應(yīng)的復(fù)合材料試件開展試驗研究，以檢驗該技術(shù)的可靠性和適應(yīng)性。
1 振動激勵下?lián)p傷生熱的力—熱耦合機(jī)理
振動熱成像技術(shù)檢測原理，在超聲波傳播的過程中，材料內(nèi)部緊貼型損傷的界面間發(fā)生接觸、滑移、分離等相互作用。
2 數(shù)值仿真研究
2。1 建模與求解
選擇三維正交各向異性層合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型為例，其他物理參數(shù)為：密度ρ為1340kg/m3，比熱容c為700J/（kg·K），沿纖維方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)λ1為12W/（m·K），垂直于纖維方向的傳熱系數(shù)λ2為0。78W/（m·K）。在層合板中預(yù)置脫粘、纖維斷裂和分層等損傷。超聲激勵頭為鈦合金；試件支撐件為鋼材料。
采用八結(jié)點力—熱耦合六面體單元—C3D8RT對試件劃分網(wǎng)格，在裂紋界面上覆蓋面—面接觸單元（模擬損傷表面的接觸—碰撞及摩擦生熱），單元總數(shù)為4853個，其中厚度方向劃分單元數(shù)為6個，對損傷區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。試件左端的前后兩面均固定，假設(shè)其右端可在超聲槍頭和支撐件之間自由運(yùn)動。采用八結(jié)點線性六面體單元C3D8R對超聲激勵頭和支撐件劃分網(wǎng)格，在超聲槍頭與試件表面、支撐件與試件背面之間均覆蓋面面接觸單元。超聲槍頭以頻率20kHz，幅度10μm向試件作振動激勵，激勵時間為40ms。
假定周圍環(huán)境溫度Te保持不變，為25℃，模型的初始溫度T0為環(huán)境溫度，為計算方便，假設(shè)靜摩擦系數(shù)μs為0。4，動摩擦系數(shù)μd為0。35，動靜摩擦轉(zhuǎn)化系數(shù)β為5。整個過程中材料的表面對流換熱系數(shù)hc為10W/（m2·K）。由于損傷附近區(qū)域溫度比較低，而本文所關(guān)心的問題持續(xù)時間僅為幾百ms，所以在計算中，忽略損傷附近區(qū)域的輻射換熱。根據(jù)上述有限元模型、邊界條件和初始條件，進(jìn)行加載計算。
2。2 計算結(jié)果分析
加載計算后，提取模型某一時刻表面溫度云圖可以看出，超聲激勵后模型中部的表面微裂紋和離激勵位置較近的分層損傷便以熱斑的形式顯現(xiàn)出來，而以平底洞形式模擬的內(nèi)部脫粘所對應(yīng)的表面溫度則沒有任何變化。由于裂紋為μs級的基體開裂，產(chǎn)生的熱量很快與環(huán)境進(jìn)行熱交換達(dá)到平衡，因此所顯現(xiàn)的熱斑較小。對于分層損傷，其對應(yīng)表面溫度場的形狀呈現(xiàn)出與預(yù)制損傷形狀基本一致的.半圓形。由于橫向熱擴(kuò)散作用，熱斑的邊緣比較模糊。提取數(shù)據(jù)，繪制模型表面不同位置的溫度時間曲線可以發(fā)現(xiàn)，基體開裂處溫度上升段具有較大的斜率，這是由于裂紋位于試件表面，產(chǎn)生熱量快，淺表面分層產(chǎn)生的熱在試件內(nèi)部有一個傳導(dǎo)過程，使得該處對應(yīng)的表面溫度值偏小。內(nèi)部脫粘損傷在超聲激勵下沒有任何反應(yīng)，這是因為損傷處沒有形成有效的接觸面，無法通過摩擦產(chǎn)生熱流。
3 試驗研究
3。1 試驗準(zhǔn)備
振動激勵系統(tǒng)采用的是BRANSON公司制造的2000LP超聲波發(fā)生器，其最大功率為500W，激勵頻率為40kHz，可以通過振幅參數(shù)來調(diào)整輸出功率百分比，超聲作用模式分為連續(xù)輸出和按時間輸出，持續(xù)時間范圍為50ms～9。99s，振幅輸出從10%至100%。采用的紅外熱像儀型號是InfraTec公司生產(chǎn)的Vhr 680科研專家型非制冷型紅外熱像儀，其工作波段為7。5～14μm，溫度靈敏度在室溫下為0。04K。超聲槍的作用時間設(shè)為200ms，振幅輸出為100%；熱像儀的采集頻率為50Hz，采集時間20s。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動超聲裝置和熱像采集裝置開始試驗。
3。2 碳纖維復(fù)合材料疲勞裂紋的檢測
試件材料為T700/BA202環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層合板，采用直條形，鋪層方式為[0°/90°]4，尺寸為230mm×12mm×2mm，兩端粘貼有厚度為1mm、長度為55mm的加強(qiáng)鋁片。 碳纖維復(fù)合材料疲勞損傷的振動熱成像檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在激勵瞬間，試件淺表面的多處纖維斷裂便顯現(xiàn)出，隨著時間推移，更深部位的分層也開始出現(xiàn)。當(dāng)表面熱斑的形狀相對穩(wěn)定時，可認(rèn)為此時的熱斑大小反映的是內(nèi)部分層的大小。
3。3 碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷的檢測
試件材料為T700/BA202環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層合板，鋪層方式為[0°/45°/90°/—45°]。強(qiáng)激光與粒子束049001—5碳纖維復(fù)合材料沖擊試件按照ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)（測定纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在沖擊中損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法）規(guī)定，其尺寸為150mm×100mm×4mm。
熱斑擴(kuò)展的過程可以反映損傷的類型和深度信息。選取不同時刻1#試件的損傷區(qū)域的熱圖。通過序列圖上熱斑出現(xiàn)的時間可以對試件內(nèi)部的損傷情況進(jìn)行定性分析。在加載的瞬間（約0。08s）時，45°方向出現(xiàn)了不連續(xù)條形熱斑，為微小的基體開裂，隨后繞沖擊點逐漸向90°，135°，0°方向擴(kuò)展，與此同時更深層的分層損傷逐漸出現(xiàn)，在熱擴(kuò)散作用下，熱斑出現(xiàn)由暗到亮、又由亮到暗的過程。到0。92s時，沖擊點周圍出現(xiàn)較大面積熱斑，經(jīng)分析是深層的分層損傷在超聲的作用下，摩擦生熱，之后熱傳到表面，由于熱的擴(kuò)散，在傳導(dǎo)到表面時，熱斑變得相對模糊。隨著時間的推移，更深層損傷產(chǎn)生的熱也會逐漸傳到表面，在4。9s時，熱斑已經(jīng)擴(kuò)展為較大的一片近似圓形的區(qū)域。通過熱斑出現(xiàn)擴(kuò)展的時刻，可以估算出擴(kuò)展熱斑所對應(yīng)損傷的深度。在整個過程中，還可發(fā)現(xiàn)單一頻率超聲激勵下產(chǎn)生的駐波共振現(xiàn)象。
4 結(jié) 論
（1）利用有限元方法對復(fù)合材料表面疲勞裂紋檢測進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，緊貼型損傷的兩個接觸面在振動激勵下發(fā)生了接觸、碰撞等運(yùn)動，且由于損傷面不光滑，出現(xiàn)相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生摩擦生熱現(xiàn)象，振動熱成像技術(shù)對緊貼型的裂紋、分層等損傷敏感。
（2）在設(shè)計制作復(fù)合材料疲勞裂紋試件和沖擊損傷試件的基礎(chǔ)上，利用超聲波發(fā)生器和紅外熱像儀開展了試驗研究，結(jié)果驗證了仿真分析得出的結(jié)論，進(jìn)一步表明：振動熱成像方法特別適合對復(fù)合材料中的裂紋、分層、沖擊等界面貼合型損傷進(jìn)行檢測，其效果明顯，檢測速度快。
�。�3）該方法只會在損傷區(qū)域選擇性地生熱，無損傷區(qū)域溫度不變化，采集到的熱圖干擾較小，有利于檢測結(jié)果的定量分析，但是存在駐波對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響的問題，因此，在檢測的過程中需要合理配置檢測參數(shù)，以便得到最佳的檢測效果。
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