碳纖維增強復合材料沖擊缺陷脈沖渦流無損檢測仿真與試驗研究*

周德強,吳佳龍,王 俊,尤麗華,盛衛鋒

(1.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122;2.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122;3.無錫國盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

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碳纖維增強復合材料沖擊缺陷脈沖渦流無損檢測仿真與試驗研究*

周德強1,2,3*,吳佳龍1,2,王 俊1,2,尤麗華1,2,盛衛鋒1,2

(1.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122;2.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122;3.無錫國盛精密模具有限公司,江蘇 無錫 214024)

為了對碳纖維增強復合材料(CFRP)沖擊缺陷進行檢測,提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測法。通過有限元仿真,分析電導率差異對渦流磁場的影響。通過實驗研究,利用小波包能量法驗證仿真結果的準確性。仿真與實驗結果表明:基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測法可以有效識別沖擊缺陷,并且能夠區分不同沖擊大小對碳纖維增強復合材料損傷的差異。

脈沖渦流;有限元分析;沖擊缺陷檢測;碳纖維增強復合材料

近年來,碳纖維復合材料的使用引起了各個行業的廣泛關注,尤其是碳纖維增強復合材料,其具有重量輕、可與金屬材料相媲美的機械性能等優點。但是,碳纖維增強復合材料在其垂直于纖維方向上具有較差的機械性能,最突出的表現就是抵御外界沖擊的能力[1-2]。碳纖維構件,例如飛機和風力渦輪葉片,服役過程中大多不可避免的要承受不同能量大小的沖擊,易產生疲勞失效[3]。因此,對碳纖維構件的日常維護和生命周期評估是很有必要的。

超聲檢測是一種使用最廣泛的碳纖維復合材料檢驗方法[1],具有檢測內部缺陷的優勢。然而,這種方法也有許多缺點,例如檢測需要聲波耦合劑、缺乏對淺表面斷裂缺陷的敏感性等。脈沖渦流檢測法以其具有檢測信號頻譜寬、含缺陷信息豐富[4]等諸多優點受到了人們的廣泛關注。國內葛邦、孫磊、周德強等人使用電渦流法對CFRP電導率檢測,發現CFRP的電導率是各向異性的,相同條件下其渦流趨膚深度比各向同性材料深,纖維方向引導渦流的流動[5-7]。日本學者Koyama K提出一種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。Theta探頭能檢測到沖擊能量高達0.25 J CFRP的產生的缺陷且具有較高的信噪比[8]。印度M.N.Libin、英國Guiyun Tian等人利用脈沖渦流熱成像技術對CFRP進行檢測,研究結果表明加熱線圈垂直于損壞曲線下的檢測效果較好,CFRP表面缺陷可通過比較表面切口溫度識得,2 J、4 J能量沖擊無法被檢測出來,6 J、8 J的高溫區域集中在一起,10 J、12 J高溫區域是圓形,可用來估計缺陷區域的大小[9-11]。然而,脈沖渦流熱成像實驗儀器造價比較昂貴,開放性不好,因此目前還只能在實驗室使用。2014年,Guiyun Tian研究團隊又利用掃描脈沖渦流技術對CFRP沖擊缺陷進行檢測。研究結果表明,2 J的沖擊能量不足以造成碳纖維增強復合材料產生缺陷,4 J的沖擊能量不足以破壞編織的纖維結構。通過觀測hall采集信號的掃描成像,可以清楚的看到沖擊缺陷的存在[12]。

通過上述文獻可以發現,脈沖渦流熱成像檢測法由于其自身缺點,其使用性受到了限制。本文的主要目的是利用基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測法實現對CFRP沖擊缺陷的檢測,采用小波包能量法分析表面磁場強度與沖擊能量的關系,進而識別和定量沖擊缺陷。

圖1 仿真模型

1 仿真模型的建立與仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文采用Comsol Multiphysics 4.4建立了脈沖渦流矩形探頭三維檢測模型,如圖1所示。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。沖擊破壞受沖擊區域的內部結構,改變了受沖擊區域的物理參數。在脈沖渦流檢測中,缺陷對磁場的擾動主要表現為電導率上的差異,因此通過在CFRP中嵌入一定體積大小的圓柱體并且設定圓柱體在不同方向上的電導率,研究電導率差異對渦流磁場的影響。小圓柱體電導率的具體設定方法如公式1所示[2],其中σx0,σy0,σz0分別表示CFRP的電導率σx0=10 000 S/m,σy0=100 S/m,σz0=100 S/m[2],σx,σy,σz分別表示小圓柱體的電導率,ax,ay,az表示小圓柱體在x、y、z方向上電導率的變化率,r表示圓柱體的半徑,x、y表示圓柱體表面的坐標。現假設小圓柱體位于CFRP的中央,因此x=0,y=0,公式1可簡化為公式2。電導率設定比例如表1所示,表中S0、S1、S2、S3、S4表示小圓柱體與CFRP樣本電導率的比值。模型其他參數設置如下:CFRP樣本的幾何尺寸為100 mm×50 mm×3.5 mm,矩形線圈的長寬高比例為2∶1∶1.5,尺寸為40 m×20 m×30 m,方波激勵頻率設置為100 Hz,漆包線直徑為0.3 mm,匝數為1 000匝。

(1)

σx=σx0axσy=σy0ayσz=σz0az

(2)

表1 仿真中電導率的設置

圖2 CFRP表面磁通密度分布

1.2 仿真分析

1.2.1 矩形線圈作用下CFRP表面磁場和渦流分布

矩形線圈作用下CFRP表面磁通密度分布如圖2所示,從圖2中可以看到CFRP表面磁通密度x分量主要集中分布于4個區域,面積較小且比較分散;CFRP表面磁通密度y分量主要集中分布于試樣體中央,面積較大且比較集中;CFRP表面磁通密度z分量主要集中分布于兩個區域,呈帶狀且面積較小。圖3為矩形線圈作用下CFRP表面感應電流密度模值分布,從圖3中可以看到感應渦流主要分布于試樣表面對應于線圈下方區域且面積較大。結合圖2和圖3結果發現磁通密度y分量的主要分布區域正好對應于感應電流密度模值的主要分布區域,這表明若以磁通密度y分量作為缺陷檢測提取的特征量,可實現較大面積的傳感檢測。碳纖維增強復合材料受外界能量沖擊下,其受損區域面積較大,這一點正好契合磁通密度y分量分布特性。因此針對碳纖維增強復合材料沖擊缺陷,本文提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測法。

圖3 CFRP表面感應渦流密度模值分布

1.2.2 缺陷仿真結果分析

根據表1中設定的電導率比值,分別對模型進行缺陷仿真并提取缺陷處的磁通密度y分量值。圖4(a)為不同電導率比值下磁通密度y分量缺陷差分信號比較結果,圖4(b)為電導率比值與差分信號峰值的關系圖。圖4(a)和圖4(b)結果表明差分信號峰值隨著電導率比值的增大而減小。

圖4 磁通密度y分量缺陷差分信號

2 實驗

2.1 CFRP沖擊樣本的制作

圖5(a)為CFRP樣本示意圖,樣本的外形尺寸為150 mm×100 mm(長×寬),板厚為3.5 mm,每一層纖維厚度大約為0.25 mm,一共大約有14層纖維,各層鋪層方式為±90°。圖5(b)為沖擊樣本制作方法示意圖,使用一定質量的鐵球分別從不同的高度自由落在CFRP板的中央,沖擊能量的大小可由式(3)計算得到。

W=mgh

(3)

式中:W代表沖擊能量的大小,m表示鐵球的質量,h表示自由落下的高度。在本次實驗中,使用質量為2 kg的鐵球分別從高度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m自由落下,沖擊能量分別是4 J、8 J、12 J、16 J、20 J。

圖5 沖擊樣本

2.2 實驗裝置

實驗裝置主要由脈沖信號發生模塊、矩形探頭、功率放大模塊、信號調理電路、數據采集模塊和被檢試件5個部分組成。脈沖信號發生模塊采用YUANLONG VD1641函數發生器,它具有可選的任意波形生成功能。矩形探頭主要包括1片巨磁阻磁場傳感器(GMR AA004-02E)和矩形線圈。圖6(a)為GMR AA004-02E芯片引腳圖,從圖6(a)可以看到芯片長邊方向為磁敏軸方向,檢測時只需將芯片長邊方向置于y軸方向即可測量磁場y軸分量,具體放置方式如圖6(b)所示,輸出信號接到放大器的正負輸入端,實現對檢測信號的放大。功率放大模塊采用英國牛頓科技公司研制的Newtons4th Ltd.LPA05B型號的功率放大器。信號調理電路主要包括濾波電路和信號放大電路,放大電路選用ANALOGDEVICES的INA129儀用放大器為核心芯片。數據采集模塊選用Adlink公司推出的一款數據采集卡DAQ2010作為實驗所使用的數據采集設備,并利用MATLAB數據采集工具箱進行相應數據的采集。整個實驗裝置如圖6(c)所示。

圖6 實驗裝置

圖7 檢測信號

2.3 實驗結果分析

使用矩形探頭分別在每一缺陷處測量并提取檢測信號,矩形探頭提離高度為1.5 mm,檢測信號如圖7所示。從圖7中可以看到參考信號與缺陷信號之間存在明顯的不同,隨著沖擊能量的增大,檢測信號的整體幅度下移。圖7結果表明沖擊降低了受沖擊區域的磁場強度。

小波包能量法是一種時域分析方法,廣泛應用于振動信號的特征提取中,對于結構損傷具有較好的損傷敏感性和噪聲魯棒性[13]。本文利用小波包能量法對脈沖渦流信號進行特征提取。由于脈沖渦流信號的頻帶的很寬,分解層次選擇8層分解,得到256個頻帶段,頻段間隔為200 Hz。考慮到256個頻帶過于龐大,提取前10個頻帶如圖8所示。由圖8可以看出脈沖渦流檢測能量集中在能量方塊圖中第1段,所屬的頻帶為(0～200 Hz),這正是方波基頻(100 Hz)所在的頻段。為此,提取能量方塊圖中的第1頻段作為信號的特征量。

圖8 各頻帶信號能量值

采用上節講述的提取信號能量的方法,分別提取每一缺陷處采樣信號的能量值并做缺陷差分處理,結果如圖9所示。

圖9 沖擊能量與缺陷差分能量信號的關系

圖10 沖擊能量與CFRP表面凹陷深度的關系

由圖9可以看出缺陷差分能量信號隨著沖擊能量的增大而增大。以上分析可知,使用信號能量值作為脈沖渦流檢測信號的特征值,可以有效的區分不同能量沖擊對CFRP造成的損傷。同時實驗還利用游標卡尺測定了CFRP受不同能量沖擊下其表面凹陷的深度,結果如圖10所示。

由圖10可以看到4 J能量沖擊下CFRP表面沒有產生凹陷,從4 J開始到16 J之間CFRP表面開始產生凹陷并且凹陷深度隨著沖擊能量的增大而增大,16 J、20 J能量沖擊下CFRP表面凹陷深度相同。

3 結論

針對CFRP沖擊缺陷檢測,結合仿真與實驗,提出基于磁通密度y分量的脈沖渦流檢測法,研究發現這種方法可以有效的識別沖擊缺陷,并且受沖擊區域的磁場強度隨著沖擊能量的增大而減小。

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[13]易雄. 基于小波分析的機械故障特征提取與診斷技術研究[D]. 浙江:浙江工業大學機械工程學院,2009.

Simulation and Experiment of Impact Damages in Carbon Fiber Reinforced Plastic Using Pulsed Eddy Current Testing*

ZHOUDeqiang1,2,3*,WUJialong1,2,WANGJun1,2,YOULihua1,2,SHENGWeifeng1,2

(1.The Key Laboratory for Advanced Food Manufacturing Equipment Technology of Jiangsu Province,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;3.Wuxi G.S Precision Tool CO.,LTD,Wuxi Jiangsu 214024,China)

In order to evaluate impact damage of carbon fiber reinforced plastic(CFRP),the method of PEC based on magnetic field of y component is proposed. The influence of conductivity differences on the eddy current magnetic field is analyzed by finite simulation. The simulation results are demonstrated by experiments using the method of wavelet packet energy analysis. Simulation and experimental results show that the method of PEC based on magnetic field of y component can effectively identify defect caused by impact energy,and characterize the damages caused by different impact energy.

pulsed eddy current;the finite element analysis;impact defects detection;carbon fiber reinforced composite materials;

周德強(1979-),男,湖北天門人,博士、副教授,碩士研究生導師,主要研究方向為無損檢測及自動化,zhoudeqiang@jiangnan.edu.cn;

吳佳龍(1988-),男,2012年7月畢業于山東交通學院交通運輸專業,現就讀于江南大學機械工程學院機械工程專業,主要研究方向無損檢測及自動化,txwujialong@163.com。

項目來源:國家自然科學基金項目(51107053);中國博士后基金項目(2012M520994)

2014-12-02 修改日期:2015-01-27

C:5130;0550

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.011

TG156

A

1004-1699(2015)05-0671-06