碳纖維增強復合材料脈沖渦流無損檢測仿真與實驗研究*

周德強,尤麗華,張秋菊,鄭　莎,吳佳龍

(1.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122;2無錫國盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

碳纖維增強復合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)是由纖維、基體、界面組成的,其微觀構造是一個復雜的多相體系,而且具有不均勻性和多向異性,該種材料已被廣泛應用于航空航天、軍工以及其他民用工業領域[1]。由于脈沖渦流無損檢測方法中激勵脈沖包含的頻譜寬,可提取的缺陷信息豐富[2-4],對深層缺陷檢測能力強[5],應用前景廣闊,且脈沖渦流矩形傳感器可以有效解決各向異性碳纖維增強復合材料缺陷或應力的檢測問題[6],脈沖渦流矩形傳感器在CFRP各向異性材料的缺陷檢測已引起國內外學者的廣泛關注。

國內外學者對CFRP的無損檢測進行了深入研究。Yin W等采用渦流傳感器測量CFRP樣品的電導率、方向性特征、故障檢測和成像[7-8]。日本學者Koyama K等采用一種Theta渦流探頭,由一個圓形的激勵線圈和一個豎直的矩形檢測線圈組成的,其中激勵線圈由于電磁感應在檢測樣品產生渦流,檢測線圈檢測由于缺陷引起磁通量變化而產生的渦流信號。使用Theta探頭對CFRP的撞擊缺陷進行掃描檢測實驗,結果表明這種Theta探頭能檢測到沖擊能量高達0.25JCFRP的產生的缺陷,且Theta探頭相比傳統的渦流探頭具有較高的信噪比[9]。Gui Yun Tian等提出了一種關于CFRP的脈沖渦流熱成像檢測系統。利用該系統,通過觀察CFRP表面的熱量分布,檢測碳纖維的各向異性電導率,通過檢測具有不同深度和寬度的缺口,歸一化溫度的上升和衰減也隨之變化,同時線圈沿纖維缺口方向的位置不變性也進行了實驗。表明脈沖渦流熱成像溫度記錄可以通過表面熱成像圖形分析和瞬時溫度的變化來檢測復合材料特性和缺陷[10]。我國學者田玉鵬等分別使用了激勵熱氣體成像法、渦流激勵成像法和超聲波陣列成像法3種無損檢測技術測量CFRP板的缺陷。通過比較分析,得出超聲波陣列測試方法對檢測結果有較高的靈敏度,但它需要耦合劑,而且探頭與試樣的摩擦,對樣板有一定的破壞性影響。紅外檢測是非接觸式測量方法,它對樣板沒有任何傷害,在同一時間,它可以檢測到更大的區域并且顯示缺陷的形狀信息[11]。任吉林等采用渦流法對CFRP涂層厚度進行了測量研究,實驗結果表明通過選擇合適的檢測頻率可以使探頭線圈阻抗與涂層厚度有很好的線性相關性和檢測分辨率[12]。

本文采用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件建立了脈沖渦流矩形傳感器檢測模型,通過電導率的改變,提取磁場的瞬態信號,對三維磁場信號進行了仿真分析,對比矩形探頭的兩種放置方式進行方向特性研究。采用方向特性優良的脈沖渦流矩形傳感器研究了CFRP的各向異性電導率的分布以及缺陷檢測。

圖2　水平放置仿真模型圖

1　仿真模型的建立和參數設置

1.1　仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測模型。在AC/DC模塊下選擇物理場為磁場并且在瞬態求解下進行求解分析。由于矩形探頭放置方式不同檢測效果有所不同,因此本文建立了豎直放置和水平放置兩種檢測模型。豎直放置是傳統的檢測方式,此時磁感線垂直穿過檢測試樣,如圖1所示;而水平放置時磁感線與被測試樣的表面平行,模型如圖2所示。

圖1　豎直放置仿真模型圖

1.2　電流密度設定及其他參數說明

仿真中載荷的添加尤為關鍵,本文在繪制矩形線圈時,采用的是8塊矩形組合的方法。以豎直放置檢測模型為例,圖3為圖1線圈的俯視圖。

圖3　矩形線圈的俯視圖

圖4　碳纖維復合材料電導率各向異性設置

1.3　渦流分布

截取了矩形探頭尺寸為20 mm×20 mm×30 mm被測試樣表面的渦流分布圖,從圖5(a)中可以看出,豎直放置時渦流集中分布于激勵線圈的下方,中心區域渦流密度最小,從中心區域到外圍渦流密度逐漸增大;水平放置時,如圖5(b)所示,在矩形線圈中心兩側都有渦流分布,而且每一側的渦流密度都比較大,其中心區域渦流密度最大,渦流分布從中心區域向外圍逐漸減小。通過對比渦流密度的最大值可以看出:水平放置時候的渦流密度中心區域的渦流密度大于豎直放置中心區域的渦流密度,有利于檢測微小缺陷等。

圖5　渦流分布對比圖

2　仿真實驗安排及結果分析

激勵線圈放置方式的不同導致檢測效果不同,以被測試樣的電導率變化為誘導因素,通過設置不同的電導率,參考信號的電導率為0.9×105S/m,然后按照規律變化的電導率分別為1.5×105S/m、2.1×105S/m、2.7×105S/m、3.3×105S/m,即每次電導率增量為0.6×105S/m,數據用參考信號與電導率變化之后的信號做差分處理,對比分析矩形激勵線圈的方向特性。數據處理流程與參考文獻[14]一致,其差分信號處理結果如圖6所示。

提取差分信號峰值進行分析,其結果如圖7所示。從圖7中可以看出,電導率的變化與信號峰值的變化之間具有一定線性關系。為了對比矩形探頭不同方向的檢測效果,通過對比x、y、z3個方向磁通密度的變化來探究矩形探頭的方向性。

圖7　z軸差分信號峰值

圖6　z軸差分信號

通過上述處理方法,得出矩形探頭20 mm×20 mm×20 mm豎直放置時3個方向的檢測靈敏度,如圖8所示。從圖8可以看出,z軸方向具有很大的靈敏度,x、y軸與z軸的差分信號峰值不在一個數量級,與z軸相比,幾乎沒有靈敏度。為了進一步探究不同尺寸矩形探頭豎直放置時磁場密度的變化規律,仿真研究了長×寬×高分別為20 mm×20 mm×30 mm、20 mm×20 mm×40 mm的矩形探頭,即長寬高比分別為1∶1∶1.5、1∶1∶2,其仿真結果如圖9、圖10所示。比較圖10、圖11、圖12可以得出,矩形探頭豎直放置時,隨著長、寬、高尺寸比例的增加,其x、y、z軸磁通密度發生變化,呈現先增大后減小的趨勢。然而,其x軸、y軸靈敏度相對z軸靈敏度均可忽略不計。因此豎直放置檢測時,z軸靈敏度最大,其他方向分量近似為0,有利于集中渦流對被測試件深層方向的缺陷進行檢測,而其他方向的分量忽略不計。該種放置檢測方式有利于z軸方向缺陷或應力的檢測。

圖9　探頭尺寸20 mm×20 mm×30 mm豎直放置三軸靈敏度

圖8　矩形探頭尺寸20 mm×20 mm×20 mm豎直放置三軸靈敏度

以相同尺寸的矩形激勵線圈,水平放置在被測試樣上方,模型圖如圖2所示。按照上述分析豎直放置脈沖渦流矩形傳感器的分析方法,分析了水平放置相同脈沖渦流傳感器的3個方向的檢測效果,矩形探頭尺寸為20 mm×20 mm×20 mm水平放置時仿真結果如圖11所示。從圖11中可以看出,x、y、z軸3個方向均有其磁場分量,而3個方向的靈敏度中,y軸靈敏度最大,其次是x軸,最小為z軸。為了進一步研究脈沖渦流矩形傳感器的方向特性,仿真研究了不同長寬比(1.5∶1∶1、2∶1∶1)矩形探頭對渦流信號的影響,其仿真結果如圖12、圖13所示。從圖11、圖12、圖13可以看出,隨著長寬比例的增加,y軸靈敏度最大,且x軸、z軸的靈敏度相對y軸的靈敏度越來越小,當長、寬、高比例尺寸為2∶1∶1時,其x軸、z軸的靈敏度可忽略不計,因此,脈沖渦流矩形傳感器水平放置時,y軸靈敏度最大,隨著長、寬、高比例的增加,其x軸、z軸靈敏度可忽略不計。該種放置檢測方式有利于y軸方向缺陷或應力的檢測。兩種放置方式相比,從圖8～圖13可以明顯看出,長寬比增大靈敏度優勢明顯。

圖10　探頭尺寸20 mm×20 mm×40 mm豎直放置三軸靈敏度

圖11　探頭尺寸20 mm×20 mm×20 mm水平放置時三軸靈敏度

圖12　探頭尺寸30 mm×20 mm×20 mm水平放置時三軸靈敏度

圖13　探頭尺寸40 mm×20 mm×20 mm水平放置時三軸靈敏度

綜合比較水平與豎直放置兩種方式的檢測效果,由于水平放置時,y軸方向的磁場分量大于豎直放置的z軸分量,因此,相同尺寸的矩形傳感器水平放置檢測時,長寬比越大,檢測效果越好。

3　碳纖維增強復合材料的實驗

參考文獻[14]采用仿真與實驗的方法已證實仿真模型的有效性,因此,根據上述仿真結果,采用水平放置的脈沖渦流矩形傳感器進行了CFRP電導率分布及缺陷實驗。

3.1　實驗裝置

脈沖渦流檢測系統主要包括信號發生模塊、功率放大模塊、信號放大模塊、數據采集模塊4個模塊。由信號發生模塊產生的脈沖信號經過功率放大模塊把激勵功率放大,然后施加到矩形傳感器上,矩形傳感器與試樣產生渦流反應因為存在缺陷或者應力使得霍爾傳感器檢測到磁場信號有所不同,所得信號經過信號放大模塊進行放大后由數據采集模塊采集到計算機中,最后使用MATLAB做信號分析處理。采用實驗硬件系統[14]進行了實驗,其探頭尺寸為40 mm×20 mm×20 mm,本實驗使用DAQ2010數據采集卡進行數據采集,采樣頻率為10 kHz,激勵信號頻率為100 Hz。其實驗試塊如圖14(a)所示,脈沖渦流矩形傳感器翻轉,霍爾傳感器靠近CFRP缺陷檢測處進行了檢測,其缺陷處標號如圖14(b)所示。

圖14　碳纖維增強復合材料實驗

3.2　碳纖維增強復合材料電導率分布檢測

標準試樣CFRP如圖14(b)所示,其標號0處為無缺陷區域,采用水平放置的脈沖渦流矩形傳感器40 mm×20 mm×20 mm進行了電導率分布檢測實驗。在中心無損區域0處,線圈從0°到360°旋轉,旋轉步長30°,采集到12組數據,該數據為原始信號,之后依次在其余8個點按照同樣的方法采集數據。參考文獻[14]對實驗數據進行濾波處理,并提取信號峰值特征,其結果如圖15所示。由圖15看出碳纖維的不同方向的電導率值是不同的,表明被測試樣不同方向碳纖維之間的接觸點不同,且CFRP內部纖維與纖維之間的接觸點數量呈周期性變化的,則CFRP的電導率也隨著接觸點數量的變化而變化。

員工管理不止是單單的制度約束就可以了，員工的工作技術質量是建筑工程最有說服力的支撐點。所以管理人員要以全方位提升員工的各方面能力為基礎，全面展開管理工作。可以對員工展開周期性、高效率的培訓，培訓內容從兩方面入手：①提升員工的專業知識，和實際施工的綜合專業能力，技術是在建設工程中最重要的一點，所以這點不能忽視。②提升員工的綜合素質水平，一名員工的人品也是很重要的，主要傳達員工建筑工程的工作意義，提升員工的團隊合作精神，工作時正能量的重要性。對于工作態度不端正，影響他人的施工行為，管理者可以直接一點的說明解決措施，采用辭退手段，沒有情面。管理者進行培訓的時候也能有鞏固自己的管理地位的作用。

圖15　碳纖維增強復合材料電導率分布實驗

3.3　碳纖維增強復合材料缺陷檢測

采用脈沖渦流矩形傳感器在CFRP缺陷處(即標準試塊如圖14(b)標號為1～8處)進行了缺陷檢測實驗。然后把其余8個點的數據在MATLAB中與無缺陷處原始數據進行差分處理,其結果如圖16所示。

圖16　碳纖維增強復合材料缺陷檢測實驗

在大多數情況下,由于碳纖維被包圍在絕緣聚合物之中,CFRP的導電性沿著每個單獨的碳纖維的方向。CFRP中的電流只有通過碳纖維與碳纖維之間的接觸點形成通路,被測試樣的電導率是所有纖維的電導率的總和。因此,CFRP電導率的大小主要依賴于纖維與纖維之間的接觸點的數量[15]。以前的實驗也證明了碳纖維的電阻率隨著CFRP的電阻率隨這內部損壞的出現而增大,即電導率變小,如纖維斷裂和脫層[16]。

對比圖15和圖16,可以看出在圖16中,150°、180°和330°方向上,由于CFPR電導率的各向異性,脈沖渦流矩形傳感器不能有效探測出缺陷。而其他方向的電導率由于是原始信號減去缺陷位置的信號,表明這些方向的電導率變小了,因此能證明CFRP出現了脫層或纖維損壞等缺陷,脈沖渦流矩形傳感器在其確定的方向上能夠有效判別CFPR缺陷。

4　結論

采用有限元仿真軟件對脈沖渦流矩形傳感器兩種放置方式進行了建模與仿真分析,綜合比較水平與豎直放置兩種方式的檢測效果,由于水平放置時,y軸方向的磁場分量大于豎直放置的z軸分量,因此,相同尺寸的矩形傳感器水平放置檢測時,長寬比越大,檢測效果越好。其次采用水平放置方式下的矩形探頭對CFRP進行了電導率分布與缺陷檢測實驗,實驗證實脈沖渦流矩形傳感器在某一方向上能夠有效檢測CFRP的電導率分布與缺陷。

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