碳纖維材料表面缺陷無損檢測仿真

陳叢茂，周虹，蒿寶乾，曹智偉

（上海工程技術大學飛行學院，上海，201620）

0 引言

碳纖維因其具有高比模量與高比強度的特點，且具有耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞、密度小、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等[1]優(yōu)異性，在航空領域中有廣泛應用。例如波音787機身大量采用碳纖維復合材料，根據(jù)其受力情況使用不同厚薄的蒙皮，低應力區(qū)域僅使用了12層的復合材料用于制成蒙皮，而在高應力區(qū)域使用碳纖維達到100多層[2]，波音787的復合材料用量為50%?？湛虯350的前翼由100層碳纖維復合材料制成，并且機翼幾乎完全由碳纖維制作。A350的復合材料用量為52%，比波音787用量還高兩個百分比[3]。

隨著技術進步和結構需求，碳纖維復合材料出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，具體表現(xiàn)為從次承受力部件向主承力結構發(fā)展，結構一體化成型，碳纖維復合材料構件多厚度，多尺寸，形狀結構復雜。但碳纖維復合材料在制造或使用過程中會產(chǎn)生缺陷，缺陷會對碳纖維的性能產(chǎn)生影響[4]，所以越來越多的學者對碳纖維復合材料缺陷展開研究，并取得可觀的成果。其缺陷一般包括：夾雜、分層、疏松、脫粘、裂紋、孔隙、纖維卷曲、纖維斷層、貧膠、富脂等。其中孔隙、夾雜、分層和富脂是其主要的缺陷類型[5]。這些缺陷對復合材料結構的安全性與可靠性造成致命威脅。因此,在航空航天領域，除使用嚴格的工藝要求保證盡可能避免產(chǎn)生缺陷外，各類無損檢測技術是保證復合材料安全可靠的一大重要方式。

激光超聲學是利用激光產(chǎn)生超聲，并展開超聲傳播研究與材料性能無損評估的一門新興交叉學科。與傳統(tǒng)壓電換能器技術相比較，激光超聲的優(yōu)點在于它是非接觸型檢測，它克服了壓電換能器技術中受耦合劑影響的部分,可用于各類較為復雜形狀式樣特性檢測,加之它屬于寬帶檢測技術范疇,能將光波波長作為測量標準，高精度測量超聲位移,所以是一種有極廣泛應用前景的新興無損檢測技術[6]。

本文中采用有限元仿真模擬的方法，探究碳纖維環(huán)氧樹脂表面波形與表面缺陷深度和寬度隨時間的關系。用等效力源模擬激光照射材料表面產(chǎn)生表面波形，并分析所得波形。分析出材料表面缺陷對表面波型的影響，與無缺陷材料波形作對比，分析出波形與表面缺陷之間的定量關系。本文采用單向碳纖維-環(huán)氧樹脂材料，分別對纖維方向和纖維法向獲得材料進行討論。

圖1 超聲波檢損基本原理

1 激光產(chǎn)生的表面波

超聲檢測利用超聲波在材料表面?zhèn)鞑ミ^程中，碰到形如孔隙、裂紋等缺陷后反射回來獲得的聲訊號特征，或利用聲能在不同物質(zhì)中的衰減程度不相同等性能,檢測被測物體內(nèi)部缺陷情況。超聲波檢損的基本原理如圖所示：

2 激光超聲激發(fā)機理

激光激發(fā)超聲的機理有熱彈效應和燒蝕效應。熱彈效應的激光功率較低,當激光器照射到材料表面的能量不能使其表面融化，材料吸收這些能量急劇膨脹，產(chǎn)生了應力波。表層局部升溫，激發(fā)出橫波、縱波和表面波且材料表面沒有任何損傷, 具有極佳的應用前景。燒蝕機理的入射功率密度較高,激光能量足以使材料表面溫度急劇升高至材料的熔點，導致表面小部分材料氣化形成等離子體，于是有一垂直于表面的反作用應力作用在表面，激發(fā)出幅值較大的超聲縱波。這種方法會在一定程度的損傷材料表面,因此只適用于某些特定場合[7-8]。隨激光脈沖前沿領域的技術發(fā)展,激光脈沖寬度已可以壓縮到ps級、fs級,在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理基礎上,形成了一些新的激發(fā)超聲波方法，本文不作展開。

2.1 熱彈激發(fā)機理

如圖2所示，當脈沖激光入射到固體表面,固體淺表面吸收光能,并迅速轉(zhuǎn)化為熱能,使樣品表面產(chǎn)生一個瞬間的局部溫度差,淺表面會因為這個瞬間的局部溫差發(fā)生體積膨脹從而在材料上產(chǎn)生表面切向力,繼而激發(fā)出超聲信號。如果入射激光的光功率密度沒有達到固體表面的損傷閾值(金屬材料一般為107W/cm2),則材料表面不會被激光脈沖所產(chǎn)生的熱能所熔化,材料表層的局部溫度上升不會導致材料的任何損傷,這時起決定性作用的是熱彈激發(fā)效應。熱彈效應因其激發(fā)的功率密度低且對材料表面不會產(chǎn)生任何相變,所以符合嚴格和無損的檢測特點,且能產(chǎn)生各種聲波。

圖2 熱彈激發(fā)機理原理圖

激光照射固體表面激發(fā)超聲波的機制較為復雜，激光激發(fā)超聲波主要分為熱彈機制和燒蝕機制兩種，以最大程度減少對工件的損傷的原則，燒蝕機制不適合使用。故本文將基于熱彈機制激發(fā)出的波形進行討論。研究中用等效力源來模擬脈沖激光激發(fā)的表面波，其等效力源位移表達式為：

上式中，T0為激光發(fā)射周期，f0為激光發(fā)射頻率。本文仿真使用激光發(fā)射頻率為f0=2*106Hz，發(fā)射周期為T0=5*10-7s。

3 表面波作用缺陷材料波形分析

本文仿真采用的復合材料為單向碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料。因該材料各向異性，本文將分別討論纖維方向和纖維法向兩種情況。

圖3 等效力源位移表達式圖像

3.1 仿真使用材料屬性參數(shù)

表1 纖維方向材料參數(shù)

表2 纖維法向材料參數(shù)

如圖4所示，是表面波在材料缺陷處傳播方式示意圖。聲表面波能量沿材料表面?zhèn)鞑?，當能量傳播到缺陷最左側A點時，一部分能量直接發(fā)生反射作用向左傳播，產(chǎn)生第一段反射瑞利波。另一部分能量則沿AB方向繼續(xù)傳播，當波的能量碰到B點時，絕大部分能量發(fā)生反射作用沿BA方向傳播，產(chǎn)生第二段反射瑞利波，剩余能量則沿BC方向傳播到D點之后，由于波的多次反射能量有大量損失，故此處產(chǎn)生的反射瑞利波對探針處檢測結果產(chǎn)生的影響可忽略不計[9]。

圖4 表面波在缺陷處傳播方式

3.2 材料缺陷深度對表面波型的影響

設置規(guī)則矩形缺陷，如圖5所示，設置網(wǎng)格大小最大值為0.08mm，用有限元的方法進行計算，在測量點處得到位移偏移量。選擇二維平面中的材料作為研究對象。設置材料表面與本次仿真實驗無關的其它三個邊緣為低反射邊界，減少此處反射的能量對實驗結果的影響。在距離缺陷左側8mm～9mm處設置邊界載荷，位移量隨時間變化函數(shù)圖像如圖3，由等效力源作為振動源。在距離缺陷左側4mm處設置域點探針（如圖6所示），用于檢測記錄材料在該點的位移偏移量隨時間的變化。設置生成實時云圖（如圖7所示），用于觀察材料表面各位置位移偏移量實時變化情況。

圖5 材料缺陷設置示意圖

圖6 邊界載荷和域點探針示意圖

圖7 位移偏移量實時云圖

設置缺陷左側距離探測點4mm，控制缺陷寬度為d2=1mm，改變?nèi)毕萆疃取＠w維方向材料分別設置缺陷深度為0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm的模型；纖維法向材料分別設置缺陷深度為0mm、0.3mm、0.5mm的模型。得到的位移偏移量圖像如圖8、圖9所示。通過圖像可以清楚地辨析出縱波、瑞利波、反射瑞利波等圖形，且兩種方向材料所得反射瑞利波幅值均與缺陷深度呈正相關，即缺陷深度越大，反射瑞利波幅值越大。

圖8 纖維方向計算結果

圖9 纖維法向計算結果

3.3 材料缺陷寬度對表面波型的影響

為確定材料缺陷寬度對反射瑞利波波形的影響，作深度d1=0.2mm的矩形缺陷模型，仍采用如圖5所示的模型進行仿真，等效力源、探測點、缺陷左端的相對位置均不變。對于纖維方向材料分別設置缺陷寬度為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm；纖維法向材料分別設置缺陷寬度為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm進行仿真計算。結果如圖10、圖11所示。分析計算結果圖像可以看出，兩種材料方向的反射瑞利波波形與缺陷深度沒有相關性。對于纖維法向材料，反射瑞利波到達時間可以表征缺陷的寬度，隨著缺陷寬度增大，反射瑞利波到達時間提前。

圖10 纖維方向計算結果

圖11 纖維法向計算結果

4 結論

本文通過有限元仿真的方法，用Comsol Multiphysics繪制了用等效力源觸發(fā)的表面波作用于缺陷后在某點處的位移偏移量-時間圖像，通過控制變量法改變模型缺陷的寬度和深度，觀察實施云圖監(jiān)測各位置位移量實時變化情況，通過疊加多次計算結果到一個坐標系并觀察反射瑞利波的波形找到探測點位移偏移量和缺陷深度的相關性。在圖像中可以清晰地分辨出各個波形。計算結果圖像表明：碳纖維-環(huán)氧樹脂材料各向異性，對于材料纖維方向和纖維法向兩個方向，在缺陷寬度不變時，隨缺陷深度增加，反射瑞利波幅值增大；在缺陷深度不變時，材料兩種方向反射瑞利波波形與缺陷寬度無明顯相關性，但材料纖維法向反射瑞利波到達時間與缺陷深度呈負相關：缺陷寬度越大，反射瑞利波到達時間越短。