激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果的影響因素

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(空軍第一航空學(xué)院 航空修理工程系，信陽(yáng) 464000)

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的大量應(yīng)用，復(fù)合材料性能不足、設(shè)計(jì)制造缺陷、使用不當(dāng)和環(huán)境條件等原因造成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題也嚴(yán)重困擾著使用單位。因此，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)是飛行安全的重要保證。

激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)技術(shù)以其非接觸、高精度、全場(chǎng)性、實(shí)時(shí)性等顯著優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為外場(chǎng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的重要手段之一[1-4]。美國(guó)空軍將該技術(shù)作為檢測(cè)B-2飛機(jī)蒙皮與芯子黏結(jié)質(zhì)量的主要手段，肯尼迪航天中心用該技術(shù)檢測(cè)航天飛機(jī)外部燃料箱熱保護(hù)層和固體火箭推進(jìn)器的熱保護(hù)層[5]。天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等也將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料夾雜、脫黏、芯格斷裂、沖擊損傷等缺陷的檢測(cè)中[6-14]。但這些研究都集中在技術(shù)可行性及缺陷定量檢測(cè)方面，對(duì)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中影響檢測(cè)效果的因素缺乏研究。

筆者在分析激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，建立了激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的真空加載模型，分析了影響檢測(cè)效果的因素，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)復(fù)合材料激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)工藝具有重要指導(dǎo)意義。

1 激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)原理

圖1 激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)基本原理示意

激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)基本原理示意如圖1所示。激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)反射鏡1照射到工件表面，從工件表面反射出來(lái)的激光束進(jìn)入分光鏡。分光鏡將激光分為兩路：一路經(jīng)反射鏡2反射后進(jìn)入CCD(電荷耦合器件)相機(jī)；另一路進(jìn)入移相反射鏡。由于移相反射鏡有一定的傾斜量(其法線與入射的激光束之間有一定夾角)，經(jīng)移相反射鏡反射后的激光束進(jìn)入CCD相機(jī)時(shí)，與先前進(jìn)入的一路激光束之間有一定的偏移量(亦稱剪切量),兩束激光相遇后發(fā)生干涉，形成干涉條紋圖像[15]。當(dāng)物體在加載狀態(tài)下發(fā)生變形時(shí)，散斑圖會(huì)有少許變化。將通過(guò)CCD相機(jī)和圖像采集卡得到的散斑圖像數(shù)字化為二維的數(shù)據(jù)文件，即可得到CCD面陣所在面積上的光強(qiáng)分布I(x,y)。通過(guò)對(duì)兩幅散斑圖(加載變形前和加載變形后)采用相減、濾波等圖像處理方法及圖像重構(gòu)技術(shù)，即可在監(jiān)視器上顯示出物體檢測(cè)面在加載后的微量變形情況。

在圖1中，假設(shè)第一幅波形圖(加載變形前)上任一點(diǎn)i(x，y)的光強(qiáng)分布如式(1)所示。

Ii(x,y)=I0(x,y)+r(x,y)cos[φ(x,y)]

(1)

式中：I0(x,y)為背景光強(qiáng)；r(x,y)為干涉條紋對(duì)比度；cos[φ(x,y)]為含有物體變形信息的相位因子。

隔一段時(shí)間后(加載后相位變化)，物體圖像的能量分布如式(2)所示。

If(x,y)=I0(x,y)+r(x,y)cos[φ(x,y)+δ]

(2)

式中：δ為相位變化量。

兩幅波形圖進(jìn)行反相相減得到相對(duì)于變化場(chǎng)的條紋圖公式，如式(3)所示。

I(x,y)=

(3)

可見(jiàn)通過(guò)散斑干涉圖只能得到相位信息，而無(wú)損檢測(cè)中離面位移測(cè)量需要的是有關(guān)位移的變形信息(μ，ν，ω),因此實(shí)際錯(cuò)位散斑離面位移的測(cè)量需由相位信息δ與光程差的關(guān)系，再由光程差與離面位移變形間的關(guān)系得出。

相位變化量δ與沿x方向的位錯(cuò)量Δx之間的關(guān)系如式(4)所示。

(4)

式中：A，B，C為位移變化系數(shù);λ為波長(zhǎng)。

激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)加載方式很多，常用的有熱加載和真空加載。真空加載就是利用真空吸盤進(jìn)行加載的方法，由于缺陷的強(qiáng)度一般比基體材料強(qiáng)度小很多，缺陷處就會(huì)有較大變形量。

在實(shí)際檢測(cè)中，復(fù)合材料檢測(cè)對(duì)象的特征形變與加載方式、載荷大小、缺陷大小、缺陷埋深及材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素密切相關(guān)，因此研究激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)效果的影響因素與檢測(cè)對(duì)象特征形變間的關(guān)系是進(jìn)行激光散斑檢測(cè)應(yīng)用研究的前提。

2 仿真分析

采用ANSYS軟件提供的8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元Solid46模擬T300/QY8911復(fù)合材料。為了提高計(jì)算效率和精度，利用對(duì)稱性建立其1/4幾何模型[見(jiàn)圖2(a)]。圖2(b)中①，②，③區(qū)分別表示含分層損傷復(fù)合材料層壓板的分層區(qū)下、上子板和無(wú)分層區(qū)的基板。分層區(qū)下、上子板的界面雖重合但不共面，即在劃分網(wǎng)格時(shí)，其同一位置有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 有限元分析幾何模型

圖3 不同鋪層方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

2.1 鋪層方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

分別建立了0°鋪層、0°+90°對(duì)稱鋪層和混合鋪層3種不同鋪層方式的有限元分析模型，鋪層數(shù)均為30層，分層損傷埋藏深度為1.8 mm(第15層下)，分層缺陷直徑為10 cm，真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa。

上述3種不同鋪層方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響如圖3所示。從圖3可以看出，單一鋪層方式的變形稍大，而0°+90°鋪層方式和實(shí)際混合鋪層方式的變形差別很小。也就是說(shuō)，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，基本上不需要特別關(guān)注鋪層方向的影響。

2.2 缺陷直徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

取真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa，建立30層混合鋪層有限元分析模型，并假設(shè)分層缺陷位于第15層，5，10，15，20，30，40 mm不同缺陷直徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響如圖4所示。分析結(jié)果表明，缺陷直徑越大，缺陷附近的特征變形量越顯著。另外，還可以看出，即便是5 mm分層缺陷的特征變形量都很明顯，也容易被檢測(cè)出來(lái)。

圖4 不同缺陷直徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

2.3 缺陷位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

分別建立了分層缺陷位于第2，4，8，10，12，15鋪層下的30層混合鋪層有限元分析模型。取真空吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa， 不同缺陷位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨著缺陷埋藏深度的增加，變形量減小。同時(shí)可以看出，即便缺陷位于第15層以下，缺陷所在區(qū)域的特征變形量依然很明顯，且邊界清晰，可以被檢測(cè)出來(lái)。

圖5 不同缺陷位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

2.4 壓強(qiáng)差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

改變真空吸盤內(nèi)真空壓力分別至10-4，0.01，0.1，100，1 000，104，5×104，8×104Pa，得到不同真空度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響如圖6所示。

圖6 不同真空度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)真空壓力為50 kPa時(shí)，結(jié)構(gòu)的特征變形量已經(jīng)很明顯，當(dāng)真空壓力小于104Pa后，結(jié)構(gòu)的特征變形量幾乎不再繼續(xù)增加。因此，檢測(cè)中只需保證吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差在50 kPa～90 kPa之間即可，沒(méi)有必要追求更高的壓強(qiáng)差。

3 試驗(yàn)過(guò)程

試樣單層厚度為0.125 mm，共20 層，采用預(yù)置兩層聚四氟乙烯膜的方法模擬脫黏缺陷，缺陷埋深分別位于鋪層的4，8，12，16層，缺陷直徑有4種(5，10，15，20 mm)，預(yù)埋缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 預(yù)埋缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

采用美國(guó)LTI公司生產(chǎn)的LTI-6200便攜式激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行局部檢測(cè)和整體檢測(cè)。系統(tǒng)由CCD相機(jī)、激光發(fā)生器、加載裝置和控制系統(tǒng)等部分組成，內(nèi)置激光器波長(zhǎng)為655 nm，功率為50 mW。通過(guò)便攜式真空罩進(jìn)行真空加載，真空吸盤內(nèi)外最大壓強(qiáng)差為92 kPa。

3.1 局部檢測(cè)試驗(yàn)

局部檢測(cè)對(duì)象是預(yù)埋在第8層的φ20 mm人工缺陷，設(shè)置吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差分別為50 kPa，60 kPa，70 kPa，92 kPa進(jìn)行試驗(yàn)，壓強(qiáng)差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響如圖8所示。

圖8 壓強(qiáng)差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

從上述試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著真空載荷的增加，缺陷條紋級(jí)數(shù)也增加，缺陷顯示更加直觀。但當(dāng)檢測(cè)的真空載荷增加到一定數(shù)值后，散斑檢測(cè)圖形(即條紋級(jí)數(shù)和圖形面積)變化不再明顯，這與前文中的有限元分析結(jié)果基本一致。

起初，隨著真空壓力的增加，缺陷處的特征變形量增大，但當(dāng)其增大到一定程度以后，結(jié)構(gòu)的變形趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明在實(shí)際的檢測(cè)中，將真空載荷控制到一定程度即可，沒(méi)必要因?yàn)樽非筮^(guò)高的真空壓力而增加檢測(cè)工藝的難度。

3.2 整體檢測(cè)試驗(yàn)

采用LTI-6200激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置吸盤內(nèi)外壓強(qiáng)差為60 kPa，加載時(shí)間為5 s，對(duì)整個(gè)試件進(jìn)行整體檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 層壓板結(jié)構(gòu)激光散斑檢測(cè)圖像

由檢測(cè)圖像可見(jiàn)，對(duì)于不同深度的缺陷，位于第4，8，12層的缺陷都能完整檢測(cè)出來(lái)，位于第16層的缺陷難以識(shí)別；對(duì)于直徑為5～20 mm的缺陷均能夠明顯檢出，且缺陷越大，檢測(cè)圖像越明顯，檢測(cè)圖形的面積與實(shí)際缺陷的大小成正比。

從上述分析可知，激光散斑檢測(cè)對(duì)近表面缺陷的檢出能力很強(qiáng)，當(dāng)缺陷埋深大于15層(約1.9 mm)后，檢測(cè)效果不佳，必須采用其他方法。

4 結(jié)論

(1) 在眾多影響因素中，復(fù)合材料激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)受缺陷尺寸、缺陷位置、真空載荷影響較大。

(2) 真空載荷對(duì)檢測(cè)結(jié)果有明顯影響，隨著真空載荷的增加，缺陷顯示更加直觀。但當(dāng)真空載荷增加到一定數(shù)值后，散斑檢測(cè)圖形變化不再明顯，考慮到真空加載在外場(chǎng)原位檢測(cè)中的工藝較繁瑣，建議采用熱加載為主，真空加載為輔的檢測(cè)方法。

(3) 缺陷埋深和大小對(duì)檢測(cè)結(jié)果均有影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，直徑大于5 mm的缺陷均可準(zhǔn)確檢出，但埋深較深(16層以下)缺陷的檢測(cè)特征不明顯。

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