振动激励条件下复合材料损伤生热的分析论文
振动热成像技术，又称为超声激励热成像技术，是一种将超声波振动能量作为激励源，引起材料表面或浅表面损伤部位生热，同时使用红外热像仪获取红外图像的无损检测方法，是红外热波探伤的最新研究领域。该技术起源于20世纪70年代末，受当时红外传感技术的限制，未能被深入研究和展开应用。20世纪90年代后，随着先进红外热像仪和新型超声波发生器的出现，再次引起国内外的广泛关注。2000年，L。D。Favro等首次采用超声波焊接发生器作为振动激励源，用红外热像仪分别记录了铝板上5mm和0。7mm疲劳裂纹的发热现象。D。Mayton等开展了对该技术的可重复性、可靠性及检测能力的研究，并设计试验对检测过程中的影响因素进行了分析通过对检测前后裂纹尺寸的测量证明超声激励不会引起裂纹增长。S。D。Holland等通过对裂纹微观形貌的实验研究，进一步证实超声激励下，裂纹面发生了摩擦，从而使裂纹区域产生热量。张淑仪等对HWRX—3型红外热像仪进行了扩展改进并用于振动热成像检测法中，成功检测了铝合金板上的疲劳裂纹。杨小林等对某航空碳纤维增强复合材料进行检测，证明振动热成像检测法可检出脉冲激励方法无法发现的微裂纹。王成亮等针对飞机复合材料试件的工艺和人为缺陷进行了振动热成像无损检测试验研究，结果表明该项检测技术可以有效检测复合材料试件中的损伤，特别是浅层、闭合类损伤。目前，该技术应用于复合材料损伤检测时的生热机理研究还不够深入，设计试验缺乏针对性，检测设备还有待进一步工程化。
为此，本文基于振动热成像技术的现状及复合材料构件质量快速检测的迫切需求开展研究，通过对振动激励下损伤生热的力—热耦合机理分析，建立温度场分布模型。基于有限元方法对预埋三种典型损伤的复合材料模型开展数值仿真。设计制作相应的复合材料试件开展试验研究，以检验该技术的可靠性和适应性。
1 振动激励下损伤生热的力—热耦合机理
振动热成像技术检测原理，在超声波传播的过程中，材料内部紧贴型损伤的界面间发生接触、滑移、分离等相互作用。
2 数值仿真研究
2。1 建模与求解
选择三维正交各向异性层合碳纤维增强复合材料模型为例，其他物理参数为：密度ρ为1340kg/m3，比热容c为700J/（kg·K），沿纤维方向的热传导系数λ1为12W/（m·K），垂直于纤维方向的传热系数λ2为0。78W/（m·K）。在层合板中预置脱粘、纤维断裂和分层等损伤。超声激励头为钛合金；试件支撑件为钢材料。
采用八结点力—热耦合六面体单元—C3D8RT对试件划分网格，在裂纹界面上覆盖面—面接触单元（模拟损伤表面的接触—碰撞及摩擦生热），单元总数为4853个，其中厚度方向划分单元数为6个，对损伤区域进行网格细化。试件左端的前后两面均固定，假设其右端可在超声枪头和支撑件之间自由运动。采用八结点线性六面体单元C3D8R对超声激励头和支撑件划分网格，在超声枪头与试件表面、支撑件与试件背面之间均覆盖面面接触单元。超声枪头以频率20kHz，幅度10μm向试件作振动激励，激励时间为40ms。
假定周围环境温度Te保持不变，为25℃，模型的初始温度T0为环境温度，为计算方便，假设静摩擦系数μs为0。4，动摩擦系数μd为0。35，动静摩擦转化系数β为5。整个过程中材料的表面对流换热系数hc为10W/（m2·K）。由于损伤附近区域温度比较低，而本文所关心的问题持续时间仅为几百ms，所以在计算中，忽略损伤附近区域的辐射换热。根据上述有限元模型、边界条件和初始条件，进行加载计算。
2。2 计算结果分析
加载计算后，提取模型某一时刻表面温度云图可以看出，超声激励后模型中部的表面微裂纹和离激励位置较近的分层损伤便以热斑的形式显现出来，而以平底洞形式模拟的内部脱粘所对应的表面温度则没有任何变化。由于裂纹为μs级的基体开裂，产生的热量很快与环境进行热交换达到平衡，因此所显现的热斑较小。对于分层损伤，其对应表面温度场的形状呈现出与预制损伤形状基本一致的.半圆形。由于横向热扩散作用，热斑的边缘比较模糊。提取数据，绘制模型表面不同位置的温度时间曲线可以发现，基体开裂处温度上升段具有较大的斜率，这是由于裂纹位于试件表面，产生热量快，浅表面分层产生的热在试件内部有一个传导过程，使得该处对应的表面温度值偏小。内部脱粘损伤在超声激励下没有任何反应，这是因为损伤处没有形成有效的接触面，无法通过摩擦产生热流。
3 试验研究
3。1 试验准备
振动激励系统采用的是BRANSON公司制造的2000LP超声波发生器，其最大功率为500W，激励频率为40kHz，可以通过振幅参数来调整输出功率百分比，超声作用模式分为连续输出和按时间输出，持续时间范围为50ms～9。99s，振幅输出从10%至100%。采用的红外热像仪型号是InfraTec公司生产的Vhr 680科研专家型非制冷型红外热像仪，其工作波段为7。5～14μm，温度灵敏度在室温下为0。04K。超声枪的作用时间设为200ms，振幅输出为100%；热像仪的采集频率为50Hz，采集时间20s。参数设置完毕后，启动超声装置和热像采集装置开始试验。
3。2 碳纤维复合材料疲劳裂纹的检测
试件材料为T700/BA202环氧树脂基复合材料层合板，采用直条形，铺层方式为[0°/90°]4，尺寸为230mm×12mm×2mm，两端粘贴有厚度为1mm、长度为55mm的加强铝片。 碳纤维复合材料疲劳损伤的振动热成像检测结果可以发现，在激励瞬间，试件浅表面的多处纤维断裂便显现出，随着时间推移，更深部位的分层也开始出现。当表面热斑的形状相对稳定时，可认为此时的热斑大小反映的是内部分层的大小。
3。3 碳纤维复合材料冲击损伤的检测
试件材料为T700/BA202环氧树脂基复合材料层合板，铺层方式为[0°/45°/90°/—45°]。强激光与粒子束049001—5碳纤维复合材料冲击试件按照ASTM D7136标准（测定纤维增强聚合物基复合材料在冲击中损伤阻抗的标准试验方法）规定，其尺寸为150mm×100mm×4mm。
热斑扩展的过程可以反映损伤的类型和深度信息。选取不同时刻1#试件的损伤区域的热图。通过序列图上热斑出现的时间可以对试件内部的损伤情况进行定性分析。在加载的瞬间（约0。08s）时，45°方向出现了不连续条形热斑，为微小的基体开裂，随后绕冲击点逐渐向90°，135°，0°方向扩展，与此同时更深层的分层损伤逐渐出现，在热扩散作用下，热斑出现由暗到亮、又由亮到暗的过程。到0。92s时，冲击点周围出现较大面积热斑，经分析是深层的分层损伤在超声的作用下，摩擦生热，之后热传到表面，由于热的扩散，在传导到表面时，热斑变得相对模糊。随着时间的推移，更深层损伤产生的热也会逐渐传到表面，在4。9s时，热斑已经扩展为较大的一片近似圆形的区域。通过热斑出现扩展的时刻，可以估算出扩展热斑所对应损伤的深度。在整个过程中，还可发现单一频率超声激励下产生的驻波共振现象。
4 结 论
（1）利用有限元方法对复合材料表面疲劳裂纹检测进行数值模拟，结果表明，紧贴型损伤的两个接触面在振动激励下发生了接触、碰撞等运动，且由于损伤面不光滑，出现相对运动，从而产生摩擦生热现象，振动热成像技术对紧贴型的裂纹、分层等损伤敏感。
（2）在设计制作复合材料疲劳裂纹试件和冲击损伤试件的基础上，利用超声波发生器和红外热像仪开展了试验研究，结果验证了仿真分析得出的结论，进一步表明：振动热成像方法特别适合对复合材料中的裂纹、分层、冲击等界面贴合型损伤进行检测，其效果明显，检测速度快。
（3）该方法只会在损伤区域选择性地生热，无损伤区域温度不变化，采集到的热图干扰较小，有利于检测结果的定量分析，但是存在驻波对检测结果产生影响的问题，因此，在检测的过程中需要合理配置检测参数，以便得到最佳的检测效果。
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