復(fù)合材料激光超聲波傳播特性及缺陷損傷檢測(cè)

付蘭凌， 楊金水， 劉志達(dá)， 羅浩

(1.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 青島創(chuàng)新發(fā)展基地，山東 青島 266000； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001； 4.洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471023)

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐磨損、抗腐蝕以及高度可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等各個(gè)領(lǐng)域[1]。然而，在復(fù)合材料的制造和使用過(guò)程中，在材料自身屬性、生產(chǎn)工藝、服役期間環(huán)境及載荷等因素的作用下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各類損傷缺陷。復(fù)合材料常見(jiàn)的缺陷類型包括基體開(kāi)裂、界面脫膠、分層和纖維斷裂4種基本形式[2]，這些損傷會(huì)隨著復(fù)合材料的使用而逐漸擴(kuò)展、合并從而形成更大的缺陷，當(dāng)缺陷超過(guò)結(jié)構(gòu)的容損極限后就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降甚至失效破壞。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的全生命周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行損傷檢測(cè)從而提早發(fā)現(xiàn)損傷并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步有針對(duì)性的修復(fù)是十分必要的。現(xiàn)有的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)、敲擊檢測(cè)、超聲波、CT與X射線、聲發(fā)射、電阻抗、紅外熱波等。其中，超聲波檢測(cè)技術(shù)由于其具有精度高、無(wú)輻射、適用于非導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法[3]。傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)原理主要利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)激發(fā)和接收超聲信號(hào)，但需要利用水或高分子凝膠作為耦合劑，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫物體的檢測(cè)且對(duì)轉(zhuǎn)角等位置的檢測(cè)能力也不足。激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、不需要耦合劑、可遠(yuǎn)距離檢測(cè)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣泛的應(yīng)用前景[4]。將激光超聲無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分層缺陷的高精度檢測(cè)[5]，是復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)和性能評(píng)估的最有效途徑之一[6]。但現(xiàn)階段復(fù)合材料的激光超聲檢測(cè)仍面臨2個(gè)問(wèn)題：一是波形復(fù)雜性，二是檢測(cè)過(guò)程的大背景噪聲和信號(hào)的相對(duì)微弱[7]，很多問(wèn)題還需進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。

White等[8-9]首次觀測(cè)到激光脈沖在固體和液體中激發(fā)出超聲波的現(xiàn)象，之后Jalell等[10]將有限元法應(yīng)用于激光超聲激發(fā)機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)其能較精確地反映超聲位移波形，使得有限元法成為重要的研究手段。在激光超聲檢測(cè)方面，周正干等[11]利用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，分別采用脈沖反射法和透射法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行C掃描成像，獲取了分層缺陷的多種特征，驗(yàn)證了激光超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料分層缺陷的適用性。裘進(jìn)浩等[12]對(duì)激光激勵(lì)的超聲特征信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料脫粘損傷的成像并對(duì)其疲勞剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。劉旭等[13]運(yùn)用有限元法研究了激光激勵(lì)位置和復(fù)合材料編織結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波傳播特性的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)階段針對(duì)復(fù)合材料各向異性及多種鋪層設(shè)計(jì)等特點(diǎn)進(jìn)行的激光激勵(lì)復(fù)合材料超聲波傳播特性和缺陷檢測(cè)研究還很少，處于起步階段。因此，本文基于彈性力學(xué)和熱力耦合理論，擬建立激光激勵(lì)下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單層及層合結(jié)構(gòu)的完全熱力耦合數(shù)值仿真模型，系統(tǒng)開(kāi)展了含缺陷結(jié)構(gòu)的激光超聲波傳播特性及缺陷識(shí)別方法研究。

1 仿真參數(shù)設(shè)定及可靠性驗(yàn)證

1.1 仿真參數(shù)設(shè)定

在熱彈效應(yīng)下，復(fù)合材料的表面受到激光輻射的作用產(chǎn)生熱膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生局部的熱應(yīng)力，應(yīng)力波在物體內(nèi)傳播并與缺陷發(fā)生相互作用，因此可以將應(yīng)力波作為無(wú)損檢測(cè)的媒介?；跓崃︸詈匣纠碚揫14]，激光激勵(lì)的熱力耦合方程可由下列方程組表示為：

式中：kij為熱傳導(dǎo)張量；ρ為材料密度；Q為熱源；cv是定容熱容量；βij為熱耦合張量；T為絕對(duì)溫度；Ui為位移張量；cijkl為彈性模量張量；fi為體力張量。

復(fù)合材料柔度轉(zhuǎn)軸為：

(1)

結(jié)合復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸公式，根據(jù)各向同性材料的縱波波速公式，可得復(fù)合材料各個(gè)方向的縱波波速為：

(2)

式中：E為對(duì)應(yīng)方向上的等效彈性模量；v為泊松比；ρ為密度。

基于完全熱力耦合理論，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，采用熱固耦合-顯式動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行復(fù)合材料激光超聲傳播特性仿真計(jì)算，碳纖維復(fù)合材料單層厚度為0.25 mm，分別建立平面尺寸為50 mm×50 mm的單層板和層合板數(shù)值模型，邊界條件設(shè)置為4邊固支，環(huán)境溫度為300 K，碳纖維復(fù)合材料的材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料單層板材料基本參數(shù)

激光脈沖激勵(lì)參數(shù)在進(jìn)行仿真時(shí)采用如下假設(shè)：

1)激光函數(shù)的空間分布精確服從高斯分布。

2)激光能量被材料全部吸收，忽略材料熱對(duì)流和熱輻射造成的熱量損耗。

激光激發(fā)表面熱源的等效熱流密度為:

q=β(1-R)I0f(x,y)g(t)

其中：

式中：β為材料的光吸收系數(shù)；I0為激光脈沖的功率密度；a為激光光斑半徑；t0為激光脈沖的脈沖寬度；f(x,y)和g(t)分別為脈沖激光的空間和時(shí)間分布函數(shù)；R為材料表面反射系數(shù)，根據(jù)假設(shè)2)可知R值為0。

仿真模型的激光光斑半徑為1 mm，激光能量為10 mJ，脈沖激勵(lì)持續(xù)時(shí)間為10 ns，等效熱流密度為3.2×108mJ/(mm2·s)。

本文為保證在滿足求解精度的情況下盡量縮短計(jì)算時(shí)間，在熱激勵(lì)周期內(nèi)設(shè)置1×10-9s為固定時(shí)間增量，其余時(shí)間段增量由軟件自動(dòng)選取，且最大時(shí)間增量不超過(guò)5×10-9s。

1.2 網(wǎng)格收斂性分析

通過(guò)設(shè)置沿復(fù)合材料纖維方向上表面距激勵(lì)中心點(diǎn)5 mm處的節(jié)點(diǎn)作為輸出點(diǎn)，并分別選取0.1、0.2 mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行仿真，提取應(yīng)力信息并繪制曲線圖。結(jié)果如圖1所示，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，應(yīng)力曲線逐漸趨于收斂，本文在保證計(jì)算精度的同時(shí)為節(jié)約計(jì)算時(shí)間選取網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。

圖1 不同網(wǎng)格尺寸下的應(yīng)力仿真結(jié)果

1.3 可靠性驗(yàn)證

通過(guò)式(1)和式(2)預(yù)測(cè)各方向的應(yīng)力波波速并與仿真結(jié)果相比較，結(jié)果見(jiàn)表2。在θ=0°和θ=90°方向上誤差較小，在θ=60°處誤差最大達(dá)到15%，這主要由于碳纖維復(fù)合材料性能的非線性導(dǎo)致。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建立的數(shù)值仿真模型的正確性和可靠性。選取文獻(xiàn)[13]結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，如圖2所示，仿真應(yīng)力波波峰出現(xiàn)時(shí)間和峰值基本一致，且脈沖后殘余應(yīng)力幅值大小相近，仿真結(jié)果僅在細(xì)節(jié)上有所差異。

表2 各方向上波速誤差

圖2 數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)對(duì)比

2 復(fù)合材料層合板超聲傳播特性

2.1 厚度對(duì)超聲波傳播的影響

選取模型上表面幾何中心點(diǎn)為激勵(lì)中心，輸出點(diǎn)相對(duì)位置及編號(hào)如圖3(e)所示。選擇厚度為0.25 mm的碳纖維單層板，每層均按0°方向鋪設(shè)，層合板厚度分別設(shè)置為0.25、0.5、1和2 mm，計(jì)算結(jié)果如圖3(a)～(d)所示。在點(diǎn)X0Z3處厚度的改變對(duì)相位的影響不大，但隨著板厚度的增加，波在上下表面之間的傳播距離增加，導(dǎo)致應(yīng)力波震蕩頻率降低。通過(guò)比較不同厚度下點(diǎn)X0Z3和X5Z3、點(diǎn)X0Z0和X5Z0處的應(yīng)力波曲線，可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)幅值隨著傳播距離和板厚的增加而減小。在點(diǎn)X0Z3、X5Z3處，即激勵(lì)點(diǎn)同側(cè)，輸出點(diǎn)應(yīng)力波的相位幾乎不隨板厚的變化而產(chǎn)生較大變化。在點(diǎn)X0Z0、X5Z0處，即激勵(lì)點(diǎn)異側(cè)，輸出點(diǎn)應(yīng)力波的相位隨著板厚的增加而出現(xiàn)明顯的滯后。綜上所述，激勵(lì)源同側(cè)的的應(yīng)力波幅值與板厚度呈負(fù)相關(guān)，應(yīng)力波相位與板厚無(wú)關(guān)；對(duì)于激勵(lì)源異側(cè)的應(yīng)力波幅值與板厚度呈負(fù)相關(guān)，應(yīng)力相位隨板厚增加而滯后。總體上，應(yīng)力波幅值與距離成負(fù)相關(guān)。

圖3 不同厚度下層合板中應(yīng)力波曲線及其仿真模型

2.2 鋪層角度對(duì)超聲波傳播的影響

為研究碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度對(duì)超聲波傳播的影響，設(shè)計(jì)模型為每層厚度為0.25 mm，共8層，總厚度為2 mm的碳纖維復(fù)合材料層合板，鋪層角度分別為[0]8、[-45/45/90/0]s、[0/90/45/-45]s，分別命名為lm1、lm2、lm3，輸出點(diǎn)的選取和編號(hào)與前文相同。如圖4(a)～(d)所示，在X0Z3處，應(yīng)力波信號(hào)差異非常小，由此可知在激勵(lì)點(diǎn)處鋪層方式對(duì)應(yīng)力波的影響很小；在X0Z0處，不同鋪層角度下曲線的峰值相位較為接近，這表明激勵(lì)點(diǎn)對(duì)心處的應(yīng)力波相位受激光光源參數(shù)和復(fù)合材料Z方向的材料性能影響較大，而鋪層角度對(duì)其影響較??；但不同鋪層角度下幅值差異較大；在X5Z3處，表面鋪層角度同為0°的lm1和lm3的應(yīng)力波幅值、相位均相近，而表面鋪層為-45°的lm2的應(yīng)力波幅值、相位均與0°鋪層有較大差異，表明對(duì)于表面點(diǎn)，應(yīng)力波的特性主要取決于表面的鋪層角度；在點(diǎn)X5Z0處，由于應(yīng)力波在傳播過(guò)程中受到各層鋪層角度的影響，在幅值和相位上均存在較大的差異。綜上所述，在厚度相同的情況下，復(fù)合材料應(yīng)力波在Z方向的傳播特性主要取決于單層板Z方向的材料特性，與鋪層方式無(wú)關(guān)；應(yīng)力波在面內(nèi)的傳播特性主要取決于表面層的鋪層方式，而非表面層的鋪層方式對(duì)其影響較?。粦?yīng)力波的衰減與層鋪方式有較大關(guān)系，層鋪方式越復(fù)雜應(yīng)力波的衰減越明顯。

3 復(fù)合材料層合板損傷檢測(cè)

3.1 面內(nèi)缺陷長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

面內(nèi)損傷仿真模型按圖4(e)所示布置，損傷部位使用寬度為1 mm的長(zhǎng)條狀面內(nèi)凹槽進(jìn)行替代，輸出點(diǎn)按所處坐標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，分別為X4Y0、X8Y0、X17Y0、X21Y0、X8Y2和X17Y2。缺陷設(shè)置為貫穿損傷，長(zhǎng)度分別為4、6 mm，各輸出點(diǎn)的Mises應(yīng)力曲線如圖5所示，在相同缺陷長(zhǎng)度下，X4Y0、X8Y0和X8Y2 3個(gè)點(diǎn)位于激勵(lì)點(diǎn)和缺陷之間，在曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，有缺陷模型相較于無(wú)缺陷模型，出現(xiàn)額外的反射波波峰，且由于缺陷的阻擋邊界反射波較弱。X17Y0、X21Y0和X17Y2 3個(gè)點(diǎn)位于缺陷外側(cè)，在曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)受缺陷的遮擋，3個(gè)輸出點(diǎn)的應(yīng)力波幅值大幅降低，相位大幅滯后，其中距離缺陷更近的點(diǎn)X17Y0和X17Y2，由于受缺陷的遮擋更為嚴(yán)密，幅值的減小和相位的滯后均大于點(diǎn)X21Y0。對(duì)比相同缺陷尺寸下Y=0 mm和Y=2 mm處所有點(diǎn)的Mises應(yīng)力曲線，可發(fā)現(xiàn)位于Y=0 mm線上的反射波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Y=2 mm上的反射波強(qiáng)度。當(dāng)缺陷的長(zhǎng)度由4 mm增加至6 mm時(shí)，位于激勵(lì)點(diǎn)和缺陷之間的點(diǎn)X4Y0、X8Y0和X8Y2，應(yīng)力波相位基本保持不變，反射波幅值增加。位于缺陷外側(cè)的點(diǎn)X17Y0、X21Y0和X17Y2應(yīng)力波幅值減小，且相位滯后。

圖4 不同鋪層順序下層合板中應(yīng)力波曲線及面內(nèi)損傷仿真模型

圖5 不同缺陷長(zhǎng)度的應(yīng)力波曲線

綜上所述，缺陷反射波的相位與缺陷尺寸無(wú)關(guān)，缺陷反射波的強(qiáng)度與缺陷尺寸呈正相關(guān)；缺陷繞射波的相位和強(qiáng)度與缺陷的尺寸成負(fù)相關(guān)，距缺陷越近其幅值的減小和相位的滯后越明顯；輸出點(diǎn)距離面內(nèi)缺陷中軸線越近其反射波強(qiáng)度越強(qiáng)。因此，當(dāng)應(yīng)力波垂直入射時(shí)，可選取面內(nèi)缺陷中軸線上的點(diǎn)作為信號(hào)接收點(diǎn)。

3.2 面內(nèi)缺陷深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

缺陷的面內(nèi)位置及輸出點(diǎn)位置和編號(hào)與前文相同，缺陷尺寸為6 mm×1 mm，分別設(shè)置為貫穿損傷和半貫穿損傷，輸出點(diǎn)Mises應(yīng)力曲線如圖6所示。位于缺陷和激勵(lì)點(diǎn)之間的點(diǎn)，缺陷反射波強(qiáng)度隨著缺陷深度的增加而變大，反射波相位基本不變。在缺陷外側(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處，由于應(yīng)力波的傳播方式由穿透型裂紋的繞射傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榘氪┩感土鸭y的透射傳播，應(yīng)力曲線的差異較大，半貫穿損傷的透射波強(qiáng)度大于貫穿損傷的繞射波強(qiáng)度，但略小于無(wú)損傷模型，半貫穿損傷模型的相位亦稍有滯后。綜上所述，相對(duì)于半貫穿型裂紋，貫穿型裂紋對(duì)于波的反射作用稍強(qiáng)，但是對(duì)應(yīng)力波的阻擋作用大大增強(qiáng)。因此，可利用透射波強(qiáng)度對(duì)缺陷深度較為敏感的特性，確定損傷深度。

圖6 不同缺陷深度的應(yīng)力波曲線

3.3 分層缺陷對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

設(shè)置仿真模型尺寸為50 mm×50 mm×3 mm，分層損傷利用在對(duì)應(yīng)層切割0.1 mm厚的空隙平區(qū)域內(nèi)時(shí)，設(shè)置分層缺陷尺寸4 mm×4 mm×0.1 mm,缺陷中心正對(duì)激勵(lì)點(diǎn)，缺陷深度分別為0.5、1和1.5 mm。輸出點(diǎn)分別位于距激勵(lì)點(diǎn)0、5 mm的上下表面處，根據(jù)坐標(biāo)編號(hào)為X0Z0、X0Z3、X5Z0和X5Z3,其相對(duì)位置如圖7(e)所示。

圖7 激勵(lì)點(diǎn)位于缺陷水平面區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力波曲線和仿真模型

各點(diǎn)處的應(yīng)力曲線如圖7(a)～(d)所示，圖7中可見(jiàn)位于模型下表面各點(diǎn)，相較于無(wú)損模型，分層損傷模型應(yīng)力波均出現(xiàn)了較大程度的幅值減小和相位滯后，對(duì)于被缺陷遮擋的點(diǎn)X0Z0，在不同深度的缺陷下，應(yīng)力波幅值和相位較為接近；對(duì)于未被缺陷遮擋的點(diǎn)X5Z0，缺陷深度越淺，應(yīng)力波幅值的減弱和相位的滯后的程度越大。對(duì)于位于模型上表面的各點(diǎn)，均可以發(fā)現(xiàn)反射波波峰。當(dāng)輸出點(diǎn)位于激勵(lì)點(diǎn)處時(shí)，應(yīng)力波主要沿厚度方向傳播，由縱波波速公式得厚度方向縱波波速為2 615 m/s，可確定分層缺陷的深度。

當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)不在缺陷水平區(qū)域內(nèi)時(shí)，設(shè)置缺陷尺寸如前，缺陷中心點(diǎn)距激勵(lì)點(diǎn)5 mm，數(shù)據(jù)點(diǎn)分別位于X0Z0、X0Z3、X9Z0和X9Z3，模型設(shè)置如圖8(e)所示。各點(diǎn)處應(yīng)力波曲線如圖8(a)～(d)所示，可發(fā)現(xiàn)，位于激勵(lì)點(diǎn)上下表面輸出點(diǎn)的應(yīng)力波波形均未見(jiàn)明顯改變；在缺陷與激勵(lì)點(diǎn)延長(zhǎng)線上的測(cè)量點(diǎn)處，下表面點(diǎn)初期應(yīng)力波曲線與無(wú)損傷模型基本一致，之后出現(xiàn)幅值減?。幌喾吹?，在上表面點(diǎn)初期應(yīng)力波曲線與無(wú)損傷模型基本一致，之后出現(xiàn)幅值增大。對(duì)比激勵(lì)點(diǎn)位于缺陷上方和位于缺陷側(cè)方的2種情況，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位于缺陷上方時(shí)，缺陷反射波強(qiáng)度最大，透射波衰減最為明顯。綜上所述，缺陷深度與反射波幅值成反比，反射波相位與缺陷深度基本無(wú)關(guān)；缺陷繞射波幅值與缺陷深度成正比，且深度越淺相位滯后越大。當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)和輸出點(diǎn)越接近分層缺陷水平投影區(qū)域時(shí)，其反射應(yīng)力波信號(hào)越強(qiáng)，繞射應(yīng)力波強(qiáng)度衰減越明顯。因此，可使用脈沖反射法和脈沖透射法探查分層。

圖8 激勵(lì)點(diǎn)不在缺陷水平面區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力波曲線

4 結(jié)論

1)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料單層板，應(yīng)力波信號(hào)的衰減程度與傳播距離成正比，不同方向上的衰減程度基本相同。應(yīng)力波在與材料主方向夾角越大時(shí)其速度越低，且呈非線性變化；對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層合板，厚度方向的波速取決于單層材料性質(zhì)，與鋪層方式無(wú)關(guān)；面內(nèi)方向的波速主要取決于表面鋪層角度，與厚度無(wú)關(guān)。碳纖維層合板中應(yīng)力波的幅值隨傳播距離和板厚的增加而減小。

2)對(duì)于復(fù)合材料面內(nèi)損傷，應(yīng)力波在損傷內(nèi)側(cè)的上下表面處均有反射回波產(chǎn)生，并且缺陷的存在會(huì)對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生遮擋作用。相對(duì)于缺陷后的繞射應(yīng)力波，缺陷反射波受缺陷深度影響較小且會(huì)出現(xiàn)明顯的反射波波峰，適合于作為材料中是否存在缺陷的評(píng)判依據(jù)；缺陷衍射波受缺陷深度影響較大，在有基準(zhǔn)信號(hào)的情況下可以有效判斷損傷深度。

3)對(duì)于復(fù)合材料分層損傷類型，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位于缺陷上方時(shí)，缺陷會(huì)對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生反射和遮擋作用，在缺陷下方點(diǎn)處不同深度的缺陷對(duì)應(yīng)力波的反射和遮擋作用相似；在缺陷外，下方點(diǎn)處缺陷越淺遮擋作用越強(qiáng)。通過(guò)比較，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)和接收點(diǎn)位于缺陷正上方和下方時(shí)檢測(cè)效果最佳。