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振動(dòng)激勵(lì)條件下復(fù)合材料損傷生熱的分析論文
振動(dòng)熱成像技術(shù)，又稱為超聲激勵(lì)熱成像技術(shù)，是一種將超聲波振動(dòng)能量作為激勵(lì)源，引起材料表面或淺表面損傷部位生熱，同時(shí)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(shí)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(dòng)激勵(lì)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(jì)試驗(yàn)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(lì)不會(huì)引起裂紋增長。S。D。Holland等通過對裂紋微觀形貌的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步證實(shí)超聲激勵(lì)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(dòng)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(dòng)熱成像檢測法可檢出脈沖激勵(lì)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(dòng)熱成像無損檢測試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該項(xiàng)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(shí)的生熱機(jī)理研究還不夠深入，設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)激勵(lì)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�；谟邢拊椒▽︻A(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(jì)制作相應(yīng)的復(fù)合材料試件開展試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)該技術(shù)的可靠性和適應(yīng)性。
1 振動(dòng)激勵(lì)下?lián)p傷生熱的力—熱耦合機(jī)理
振動(dòng)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(lì)頭為鈦合金；試件支撐件為鋼材料。
采用八結(jié)點(diǎn)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(gè)，其中厚度方向劃分單元數(shù)為6個(gè)，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(dòng)。采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R對超聲激勵(lì)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(dòng)激勵(lì)，激勵(lì)時(shí)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(jì)算方便，假設(shè)靜摩擦系數(shù)μs為0。4，動(dòng)摩擦系數(shù)μd為0。35，動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)化系數(shù)β為5。整個(gè)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(shí)間僅為幾百ms，所以在計(jì)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(jì)算。
2。2 計(jì)算結(jié)果分析
加載計(jì)算后，提取模型某一時(shí)刻表面溫度云圖可以看出，超聲激勵(lì)后模型中部的表面微裂紋和離激勵(lì)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(shí)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(gè)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(lì)下沒有任何反應(yīng)，這是因?yàn)閾p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(yàn)研究
3。1 試驗(yàn)準(zhǔn)備
振動(dòng)激勵(lì)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(lì)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(shí)間輸出，持續(xù)時(shí)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(shí)間設(shè)為200ms，振幅輸出為100%；熱像儀的采集頻率為50Hz，采集時(shí)間20s。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)超聲裝置和熱像采集裝置開始試驗(yàn)。
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(dòng)熱成像檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在激勵(lì)瞬間，試件淺表面的多處纖維斷裂便顯現(xiàn)出，隨著時(shí)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(shí)，可認(rèn)為此時(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)，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(diǎn)逐漸向90°，135°，0°方向擴(kuò)展，與此同時(shí)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(shí)，沖擊點(diǎn)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(shí)，熱斑變得相對模糊。隨著時(shí)間的推移，更深層損傷產(chǎn)生的熱也會(huì)逐漸傳到表面，在4。9s時(shí)，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(shí)刻，可以估算出擴(kuò)展熱斑所對應(yīng)損傷的深度。在整個(gè)過程中，還可發(fā)現(xiàn)單一頻率超聲激勵(lì)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(gè)接觸面在振動(dòng)激勵(lì)下發(fā)生了接觸、碰撞等運(yùn)動(dòng)，且由于損傷面不光滑，出現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦生熱現(xiàn)象，振動(dòng)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(jì)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(yàn)研究，結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析得出的結(jié)論，進(jìn)一步表明：振動(dòng)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(huì)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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