碳纖維增強復合平板新型渦流探頭的仿真與試驗研究*

孟杞鳳,宋 凱*,張麗攀,魏雅麗,孫莎莎

(1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063;2.中國人民解放軍第五七零二廠,西安 712200)

碳纖維增強復合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)具有高比強度和比模量、性能可設計和易于整體成形等優點,使其易于制作尺寸穩定的結構而滿足航天結構高結構效率的要求[1-2]。大量CFRP材料作為飛機結構件承受復雜應力,如C919大型客機的中央翼盒、內外襟翼及垂直尾翼等,但復合材料結構質量在生產中不穩定,缺陷的產生難以避免,如預浸料中的低分子雜質、溶劑和水分揮發極易引起空隙、裂紋、分層等缺陷的形成,從而導致構件或機械設備失效甚至發生重大事故,因此,開發設計新型傳感器快速檢測發現構件的損傷區域,對于預防航空航天關鍵構件的斷裂故障和防止重大惡性事故的發生具有重要意義。

目前主要有超聲波檢測[3-5]、X射線檢測[6]、微波檢測[7]等技術用于CFRP材料缺陷檢測。Ziping Wang等人[4]根據正交各向異性壓電復合材料沿偏振方向的高靈敏度和方向性,設計了一種用于復合材料中內部缺陷檢測用的低頻超聲相控陣換能器;Yuanjia Song、D’Orazio T[5]等采用超聲紅外熱像或常規超聲檢測技術識別出復合材料中分層、裂紋等缺陷。渦流檢測技術[8]利用被檢對象的電磁感應特性,通過測量線圈中感應量變化來實現缺陷的識別與評價,具有非接觸、無耦合、易于實現高速自動化檢測等特性。

由于碳纖維復合材料的弱導電性,國內外學者對基于渦流原理的傳感器檢測性能開展了初步的探索。Wuliang Yin[9-10]研究團隊基于碳纖維復合材料對比自感式與互感式渦流探頭,發現自感式探頭對電導率各向異性的測量不準確,而沿圓周不斷旋轉測量點的互感式探頭能準確獲得電導率的非均勻性分布,為渦流檢測探頭的設計提供了參考。Lu Ma[11]設計兩組9線圈平面陣列傳感器,通過仿真和試驗對CFRP平板結構進行檢測,實現碳纖維復合材料板內部直徑15 mm缺陷和位置的辨識,但缺陷深度較大,為35層碳纖維布厚。徐羽[12]采用環形陣列結構的傳感器檢測單方向和編織型碳纖維復合材料平板,利用比較電感值和線性反投影算法粗略辨識出缺陷的位置,然而線圈環形陣列中心磁場較弱,對缺陷敏感度較低,并不適合平板工件缺陷的檢測。李雯[13]針對檢測對象的形狀不同列舉了全包圍式、半包圍式、倒“L”型等多種傳感器陣列結構,但并未對埋深缺陷進行檢測研究。

為探究渦流探頭對CFRP表面及內部缺陷檢測的有效性及可行性,本文設計了檢測線圈立放式渦流探頭,建立了三維有限元模型,對比了檢測線圈立放與平放的檢測靈敏度,并研究了新型渦流探頭的檢測性能,為碳纖維復合材料的渦流檢測探頭設計提供了參考。

1 渦流檢測原理

在激勵線圈中通以交流電,由電磁感應原理激勵線圈產生主磁場B1,進而在導電材料中產生渦流,該渦流感應出一個次級磁場ΔB如圖1所示,當工件中存在缺陷時,會引起渦流的畸變,磁場的變化。據麥克斯韋方程組推導知,磁場的變化可通過檢測線圈感應電壓的波動來表達。

圖1 磁場與渦流示意圖

引入矢量磁位A使B=×A(B為主磁場與次級磁場的矢量和),結合式×φ≡0,據麥克思維方程組可得式(1)

(1)

其中,φ為標量電勢。因此,在忽略位移電流影響的時諧電磁場中A與φ存在式(2)的關系,

×(×A/μ)+jω(A+φ)=J

(2)

(3)

基于上述分析,缺陷引起磁場的變化可反映為V的波動。

由理論分析可知,ΔB+B1較B1相位延遲了φ度,如圖2所示,且ΔB與B1存在式(4)所示的相關性:

(4)

式(4)中ω為激勵源的角頻率,ε0為真空介電常數,εr為相對介電常數,σ為被測對象的電導率。其中,ΔB的實部由位移電流產生,與導體的介電常數有關;ΔB的虛部由渦流感應產生,該參數與材料的電導率分布及施加在激勵線圈上的頻率的大小成線性關系[14]。因此,本文采集檢測線圈感應電壓的虛部分量進行分析。

圖2 主磁場與次級磁場矢量關系

2 仿真模型計算

2.1 模型及參數

CFRP平板構件的仿真模型由CFRP平板、渦流探頭組成,如圖3(a)所示。CFRP平板長度L為150 mm,寬度W為90 mm,厚度D為4 mm,電導率σ為 5×10-2Ms/m,為簡化仿真模型,CFRP平板的電導率設置為各項同性。新型渦流探頭采用激勵-接收型,其中激勵線圈軸線垂直于平板表面,線圈為圓形,其內半徑rex1為2 mm,外半徑rex2為3 mm,匝數n為50,線徑為0.06 mm,高度h為1 mm。為增強探頭對構件損傷的敏感性,檢測線圈放置方式較為關鍵,模型設計包括檢測線圈軸線垂直與平行激勵線圈軸線兩種方式?？紤]到減小檢測線圈與CFRP構件的提離距離可有效增強拾取的缺陷信號,則將檢測線圈設計成跑道型,布置方式如圖3(b)、圖3(c)所示,檢測線圈的內半徑rde1為1 mm,外半徑rde2為2 mm,直道長len為4 mm,匝數n為50,線徑為0.06 mm,高度h為 1 mm。計算模型參數如表1所示,其中,Dis為線圈間距;Lift-off/為提離高度;ρ為線圈電導率;I、f分別為激勵電流、頻率。

圖3 探頭模型圖

單位:mm

由于模型設計涉及電磁場計算的開域問題,在模型周圍建立足夠大的空氣域,以消除對線圈磁場的截斷效應,并將空氣域分為近場空氣和遠場空氣。采用SOLID97單元定義工件、線圈及近場空氣;以INFIN111單元定義遠場空氣;考慮到單元的兼容性,故采用CIRCU124電路單元。對材料進行附屬性后,對規則形狀的工件、線圈等采用映射劃分網格,遠場空氣采用掃略劃分方式以提高計算速度及計算結果的準確性。為保證跑道型線圈中電流流向,在線圈耦合外電路時定義弧形部分為柱坐標系,矩形部分為笛卡爾坐標系。通過選用稀疏矩陣對規模較大的三維渦流場-路耦合分析計算,由后處理模塊獲得檢測線圈的感應電壓等參量。

2.2 檢測線圈放置方式對檢測信號的影響

如圖3(b)、圖3(c)所示當檢測線圈軸線與激勵線圈軸線相垂直和平行時分別定義為垂直式探頭和平行式探頭,模型參數一致僅檢測線圈放置方式不同。激勵線圈與平板的提離距離為1.5 mm,檢測線圈與平板的提離距離為0.5 mm,如圖4所示,按箭頭指示方向移動探頭掃查10 mm×6 mm×2 mm的體積型缺陷,掃查距離在圖4中被標記為(6,12,…,60 mm)。

圖4 探頭掃查缺陷圖

圖5為垂直式與平行式探頭掃查缺陷時線圈感應電壓變化量ΔV的擬合結果,ΔVm為相應最值,其中垂直式與平行式擬合標準差都為0.01%。由圖5可以看出,與平行式探頭檢測缺陷的信號變化相同,垂直式探頭感應電壓值在缺陷處產生明顯的單波峰信號,但垂直式探頭ΔV明顯較高,其中垂直式探頭ΔVm為0.66 mV,比平放式0.44 mV增加了50%。由圖5可見,垂直放置方式檢測線圈對缺陷引起的次級磁場的變化更敏感,大大提高了傳感器的靈敏度。

圖5 垂直式與平行式探頭檢測結果圖

2.3 缺陷位置對檢測信號的影響

圖6為采用上述仿真參數模擬缺陷移動而探頭靜止的掃查方式,檢測結果如圖7所示,其中ΔV1的擬合線標準差為0.003%。

圖7 仿真檢測結果

圖7中ΔV隨缺陷漸近線圈而增大,又隨缺陷遠離線圈而減小,在18 mm～48 mm內劇烈變化,并在線圈的正下方位置30 mm和36 mm處達到最大,說明新型渦流探頭對碳纖維增強復合材料平板表面缺陷具有較強的敏感性,能夠準確辨識出缺陷所處位置。因此新型渦流探頭適用于CFRP平板表面損傷的檢測。

由原理分析可知,復材平板中斷絲缺陷的存在使得渦流畸變,從而引起磁場的變化,進而使得檢測線圈感應電壓發生波動產生缺陷信號,但渦流場的有限性使得檢測線圈只能感應到其附近的磁場變化,而對于遠處則不敏感,即表現為6 mm范圍內缺陷的有效感應。

由于圖6中兩檢測線圈關于激勵線圈位置對稱,且激勵線圈為圓形,所以兩檢測線圈的主磁場B1一致。當缺陷位于檢測線圈2下方時,缺陷與檢測線圈1的距離為7 mm,兩個檢測線圈的次級磁場ΔB有較大差異,因此導致ΔV2m為4 mV,ΔV1m為1.6 mV。

3 試驗研究

3.1 渦流檢測系統

采用16層3K平紋200 g碳纖維布、E51環氧樹脂和CAS[112-24-3]三乙烯四胺加工碳纖維復合材料平板,其中填充聚丙烯模擬缺陷。待檢試樣為尺寸規格為150 mm×90 mm×4 mm,缺陷尺寸為10 mm×12mm×2 mm,如圖8所示。

圖8 被檢試件

試驗系統如圖9所示,該系統主要包括傳感器、信號發生器、功率放大器、鎖相放大器和計算機。信號發生器產生激勵信號,經功率放大后加載至傳感器激勵線圈,檢測線圈的感應信號在鎖相放大器中被采集并在濾除噪聲干擾后,由計算機進行數據處理與分析。

圖9 檢測系統

3.2 試驗結果與分析

設置激勵信號為峰峰值為5 V,頻率200 kHz的正弦信號;功率放大器輸出電壓值為10 V,持續驅動電流為1 A。應用MATLAB根據缺陷位置對測量結果進行離散、擬合處理,得到試驗與仿真ΔV2變化如圖10所示,對CFRP平板反面檢測結果如圖11所示。

圖10 仿真與實驗數據擬合曲線圖

圖11 CFRP板反面檢測擬合曲線

由圖10可知,與仿真結果一致,試驗中傳感器對CFRP平板中的缺陷極為敏感,檢測線圈在感應到缺陷引起的磁場的畸變后產生尖銳的單峰波動信號。其中,仿真和試驗數據擬合曲線標準差為0.07%和 0.11%。這表明試驗結果與仿真相吻合,說明新型渦流探頭具有較高的靈敏度,對CFRP平板檢測缺陷具有很好的檢測效果。

圖11中ΔV2m變化與圖10中CFRP板正面檢測試驗結果相同,都在缺陷處產生單峰波動信號。不難發現探頭對埋深為2 mm的內部缺陷也有較強的敏感性。隱藏缺陷改變了材料板內渦流場的大小、相位及流動形式,同時引起次級磁場發生變化,進而使得檢測線圈阻抗及電壓信號發生劇烈的波動。其中CFRP板正反面檢測ΔV2m分別為40.3 mV、2.1 mV,板反面檢測擬合曲線標準差為0.02%。這是由于磁場能量隨CFRP深度增加而逐漸減弱,隱藏缺陷引起的磁場畸變小于表面缺陷的影響。圖11表明新型渦流探頭對隱藏缺陷敏感,能夠有效檢測復合材料板隱藏缺陷或損傷。

4 結論

本文提出并設計了一種新型渦流傳感器,采用檢測線圈軸線垂直激勵線圈軸線放置方式設計可以極大的提高傳感器的靈敏度,感應電壓虛部變化量比平放式線圈提高50%。此外,新型渦流探頭可有效的檢測碳纖維增強復合材料平板表面及一定范圍埋深的隱藏缺陷,檢測CFRP板內埋深2 mm～4 mm隱藏損傷感應電壓虛部變化量為2.1 mV。

本文設計開發的新型渦流探頭對復合材料制造質量監控和結構安全檢查等無損檢測具有重要的意義,為渦流探頭提高靈敏度設計提供了有價值的參考。