碳纖維構件擠壓漸進損傷無損檢測及其圖像分析*

劉麗娜

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

碳纖維構件擠壓漸進損傷無損檢測及其圖像分析*

劉麗娜

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

針對反復出現的小能量擠壓是否會對復合材料層合板造成結構損傷，進行了碳纖維構件擠壓漸進試驗。應用紅外無損檢測方法采集對象圖像，觀測損傷結果，采用MATLAB圖像分析軟件對紅外熱像圖進行數字圖像分析。研究結果表明，碳纖維層合板試件在單次小能量擠壓作用下，未出現明顯缺陷；在小能量擠壓重復作用下，會產生結構的損傷缺陷。采用紅外熱成像檢測方法，可以快速、有效、可靠地檢測結構損傷。

碳纖維構件；擠壓漸進；無損檢測；圖像分析

碳纖維作為一種先進的結構材料,具有密度低、比性能高、無蠕變、非氧化環境下耐超高溫性好、耐疲勞性好、耐腐蝕性好、X射線透過性好以及電磁屏蔽性好等優點，廣泛應用于航空航天技術、能源工程、民用建筑和交通運輸等領域[1]。在航空方面，由于碳纖維構件大部分采用整體成形，使連接件大幅度減少，從而極大地減小了飛行器的質量，優化了總體飛機結構，使飛機結構整體的可靠性指標得到上升；但是碳纖維構件存在層間強度低的特性,它對許多種類的外物擠壓較為敏感，而這些損傷往往是無法用肉眼觀察的，卻會破壞整體結構，使構件失去應有的功能[2]。因而，運用簡單易行的損傷檢測方法對碳纖維構件的初期損傷進行發現和監控已刻不容緩。

本文通過對碳纖維復合材料層合板施加不同能量、不同加載次數擠壓試驗，運用了紅外熱成像儀無損探傷的方法[3]，應用MATLAB軟件進行熱圖像處理，從而量化損傷面積的大小，研究不同加載次數下的小能量擠壓損傷程度發展規律[4]。

1 碳纖維構件擠壓漸進試驗

物體受到擠壓后或多或少會產生變形。由于層間強度低，復合材料層合板對許多類型的外物擠壓損傷較為敏感，這些損傷可能是制造和維護過程中設備碰撞、人員蹬踏等造成，也可能是飛機使用過程中冰雹敲擊、飛機起飛降落時跑道小石塊對機翼和機身下表面蒙皮撞擊造成，這類損傷憑肉眼往往難以發現，表現為目視不可檢的內部損傷，其可導致基體開裂和分層損傷，嚴重時還會出現纖維斷裂。本次試驗模擬此類小能量擠壓，并針對反復出現的小能量擠壓是否會對復合材料層合板造成結構損傷進行試驗研究。

擠壓漸進試驗在室溫((25±2)℃)條件下進行。試驗選用4塊同種碳纖維增強多層復合材料板，外形尺寸均為50 mm×50 mm×1.5 mm。采用伺服電動機控制電子萬能試驗機(見圖1)，對碳纖維復合材料層合板進行擠壓損傷試驗(見圖2)。損傷部分是直徑為40 mm的圓形區域，壓頭是一個直徑為22 mm的鋼制球體端部，壓頭軸線與板平面垂直。為使受力均勻，在碳纖維層合板與鋼球之間放入硬紙板，通過調整壓力荷載的大小控制擠壓能量。

圖1 萬能試驗機 圖2 擠壓漸進試驗

具體試驗方案為：1#試件采用最大載荷為1 kN的力進行緩慢加載，加載次數為1次；2#試件采用最大載荷為1 kN的力進行緩慢加載，加載次數為200次；3#試件采用最大載荷為2 kN的力進行緩慢加載，加載次數為1次；4#試件采用最大載荷為3 kN的力進行緩慢加載，加載次數為1次。各試件的加載圖形如圖3所示。

圖3 各個試件的加載曲線

由圖3可以看出，試件在小能量單次或較少疲勞次數下，加載曲線光滑無彎折；當加大沖擊能量以及提升小能量疲勞加載次數時，加載曲線有明顯彎折，且彎折點隨著加載能量的增大而降低。

2 紅外熱波檢測試驗

紅外無損檢測技術在對各種材料、各種形狀的試樣的檢測方面有廣闊的發展前景，不僅在于其非接觸式測量、紅外無損檢測實時性很強，而且具有遠距離測量、設備可移動等特點，使得這項檢測技術迅速發展。在多個領域中，金屬材料都有其廣泛的應用，因而研究檢測金屬工件內部缺陷的紅外方法具有非常重大的意義。

本試驗采用的紅外熱成像檢測試驗系統如圖4所示。試驗系統主要包括ImageIR高端紅外成像系統、激勵源、時間控制器、試驗臺、計算機處理系統和待測試件等部分。熱像儀用于熱像圖的采集、處理和保存等，被測物體中如果存在缺陷，可在熱像圖上觀察到。該系統不僅可以捕捉到清晰的熱像圖，還可以對圖像進行基本分析，初步判定缺陷所在部位及區域大小。激勵源為試驗提供熱源，時間控制器用來精確控制激勵源的加熱時長[5-6]。

圖4 紅外熱成像檢測試驗系統示意圖

試驗結果如圖5所示。由圖5可以發現，1#試件由于沖擊能量較小，碳纖維層合板沒有明顯損傷缺陷，2#、3#和4#試件在加大了沖擊能量和沖擊次數后，碳纖維層合板已經具有明顯的損傷缺陷，但圖像間的大小區別并不明顯。

圖5 各個試件紅外熱像圖

下述通過MATLAB數字圖像分析軟件，對后3幅紅外熱像圖進行量化分析，尋求加載次數與沖擊能量之間的對比關系。

3 試件紅外熱像圖分析結果

在紅外圖像采集過程中，由于熱激勵源的位置和激勵方向等多方面的原因，常出現圖像不均勻、對比度不足等弊端，使人眼在觀看圖像時視覺效果較差。本文首先對試驗中采集的紅外熱像圖進行相同大小面積的剪裁，以保證被分析區域總像素相同(見圖6)；其次，采用灰度線性變換對紅外圖像進行處理，使圖像動態范圍加大，圖像對比度擴展，圖像清晰，特征明顯(見圖7)；然后，采用最大類間方差法對圖像進行分割處理，實現對目標區域邊界、位置(見圖8)；最后，對圖像進行二值化處理，提取缺陷大小，從而確定脫粘區域面積(見圖9)[7-8]。

圖6 各試件相同分析區域

圖7 各試件灰度變換圖

圖8 各試件缺陷分割圖

圖9 各試件圖像二值化

在圖像中，損傷面積大小用像素數(PIX)來表示。對二值圖取像素值為1的像素個數表示脫粘大小，脫粘實際面積大小可以根據熱圖的像素尺寸和試件的實際尺寸的比例得到，該比例關系可由熱像儀的成像距離和熱像儀所用的鏡頭倍數來確定。其計算方法如下：

式中，Length和Width分別為試件實際的長度和寬度；Mrow和Mcol分別為其對應圖像的行數和列數；SIZE為缺陷的實際面積大小。經計算后，各個試件缺陷像素大小如下：1#試件為128；2#試件為3 362；3#試件為896；4#試件為3 159。1#試件由于在圖像采集過程中存在噪聲，基本可以忽略；2#試件具有缺陷像素，與圖3b的加載曲線相吻合；3#和4#試件，隨著加載擠壓能量的增加，損傷缺陷面積像素明顯增加。圖像分析結果與加載曲線的走向基本一致。

4 結語

通過上述分析，得出如下結論。

1)詳細對比加載曲線和紅外熱像處理結果，對于碳纖維層合板試件在單次小能量擠壓作用下，未出現明顯缺陷。在小能量擠壓重復作用下，會產生結構的損傷缺陷，通過紅外熱成像檢測方法可以快速、有效和可靠地檢測結構損傷。

2)通過對紅外熱像檢測結果的圖像進行處理分析，可以有效描述碳纖維構件擠壓損傷漸進發展的過程，并確定擠壓損傷缺陷類型。

3)通過試驗分析結果可以看出，加載曲線的彎折點同為判斷試件是否出現結構損傷的依據，并且擠壓能量越大，曲線上的彎折點越靠近起點。

[1] 邵長軍. FRP加固結構剝離損傷的聲-光纖無損檢測試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2013.

[2] 李曉霞,伍耐明. 碳纖維層合板低速沖擊后的紅外熱波檢測分析[J]. 復合材料學報, 2010,27(6):88-93.

[3] 張彥, 朱平. 低速沖擊作用下碳纖維復合材料鋪層板的損傷分析[J]. 復合材料學報,2006,23(2):150-153.

[4] 劉麗娜，鄭步生. 紅外熱成像技術在碳纖維加固構件沖擊探傷中的應用[J].新技術新工藝，2015(11):122-124.

[5] 田裕鵬. 紅外檢測與診斷技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2006.

[6] 蔡毅,王嶺雪.紅外成像技術中的9個問題[J].紅外技術, 2013,35(11): 671-682.

[7] 孫希婕,胡威偉.基于均值漂移的紅外艦船圖像分割算法[J].新技術新工藝, 2014(5)：16-18.

[8] 高飛.MATLAB圖像處理375例[M].北京:人民郵電出版社,2015.

* 江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB590001)

責任編輯 馬彤

Nondestructive Detection and Image Analysis of Progressive Damage of Carbon Fiber Components

LIU Lina

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China)

In order to study that the recurrent small energy squeeze whether will cause structural damage to the composite laminated plate, the carbon fiber components squeezing gradual test is done. Through object image for the collection of nondestructive testing methods, the infrared thermal image analysis software based on MATLAB figure for digital image is used to analyze the results. The research results show that under the action of a single small energy extrusion, carbon fiber lamina specimens do not have the obvious flaw, and in small energy extrusion under the action of repeated, it can produce the structure of the defect. Through the infrared thermal imaging detection method, the structural damage can be detected in the quick, effective and reliable state.

carbon fiber components, squeeze the gradual, nondestructive testing, image analysis

TU 528.58; TP 751.1

A

劉麗娜(1981-),女，碩士，講師，主要從事民航機電工程等方面的研究。

2016-09-28