基于WSI的四層散斑表面復(fù)合材料應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 韓 滔 何冠檜 周 科 周延周

基于WSI的四層散斑表面復(fù)合材料應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 韓 滔 何冠檜 周 科 周延周

隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展，其無(wú)損檢測(cè)方法也非常多。故提出了一種基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，利用激光波數(shù)掃描的方法高精度透視測(cè)量加載前后復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)變場(chǎng)分布。當(dāng)加載量線性增加時(shí)，應(yīng)變也近似于線性增加。該測(cè)量方法擁有極高的穩(wěn)定性和信噪比，其測(cè)量精度可達(dá)到±10nm，x, y方向上測(cè)量精度為2.12μm/pixel。實(shí)驗(yàn)用到的該測(cè)量方法為復(fù)合材料內(nèi)部的力學(xué)特性的測(cè)量和無(wú)損檢測(cè)提供一種可靠及高精度的技術(shù)平臺(tái)。

復(fù)合材料；多層散斑面；無(wú)損檢測(cè)；應(yīng)變場(chǎng)

復(fù)合材料是指由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料,復(fù)合材料強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕，由于其具有這些優(yōu)點(diǎn)， 復(fù)合材料比鋼、鋁合金等材料的性能更優(yōu)越。

在工業(yè)生產(chǎn)中，即使是已經(jīng)相當(dāng)成熟工藝，在產(chǎn)品制造過(guò)程中也可能會(huì)產(chǎn)生缺陷，引起某些質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)很可能導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的報(bào)廢。因此對(duì)于復(fù)合材料其力學(xué)性能表征以及產(chǎn)品缺陷檢測(cè)顯得非常重要。

目前針對(duì)復(fù)合材料力學(xué)特性的測(cè)量手段有很多，傳統(tǒng)的測(cè)量方法如拉伸，壓縮、彎曲、沖擊等，這些主要是沿用了一些金屬材料檢測(cè)所采取的方法，在檢測(cè)過(guò)程會(huì)對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生一定的損傷。與之相對(duì)應(yīng)的則是無(wú)損檢測(cè)方法，而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中。

2007年，英國(guó)拉夫堡大學(xué)J. M. Huntley小組利用真空負(fù)壓加載，激光散斑干涉技術(shù)檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料表面的微小離面位移變形量，進(jìn)而推斷出材料內(nèi)部層與層之間的脫粘缺。2013年，廣東工業(yè)大學(xué)周延周在J. M. Huntley小組的研究基礎(chǔ)上提出激光波數(shù)掃描干涉方法測(cè)量渾濁樹(shù)脂基復(fù)合材料內(nèi)部三維離面位移場(chǎng)分布。

該文是利用激光波數(shù)掃描干涉測(cè)量技術(shù)，針對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部散斑面進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量。

1.實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)及原理

本系統(tǒng)主要包括半導(dǎo)體激光器(LD)、激光控制器(LDC)、正方體分光棱鏡(CBS)、光楔(OW)、CCD相機(jī)、加載裝置單元(LDU)、TCM-溫度控制模塊及計(jì)算機(jī)(PC)等構(gòu)成和加載臺(tái)以外的部件全部封裝在一個(gè)橙色的箱子內(nèi)，箱子內(nèi)部涂有啞光漆。激光器輸出的激光中心波長(zhǎng)為860nm，準(zhǔn)直透鏡將其變成了平行光束，經(jīng)過(guò)50:50的正方體分光棱鏡后分為兩束光，這樣就可以將其看成是兩個(gè)不同光源發(fā)出的兩束同頻率，滿足了邁克爾干涉對(duì)光的頻率的要求。

實(shí)驗(yàn)要求觀察到被測(cè)件內(nèi)部應(yīng)變，需要所選材料具有較高透明度，選擇亞克力板為作為本實(shí)驗(yàn)的被測(cè)材料。選取的環(huán)氧樹(shù)脂為E51型，固化劑為W93型。普通的亞克力板，其透光性比較強(qiáng)。表面平滑的復(fù)合材料樣件，中間區(qū)域其透光性有所減弱，本實(shí)驗(yàn)所用材料樣件，中間區(qū)域透光性比較差。

2.測(cè)量原理

上式中x, y表示像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)；M表示光的反射面的個(gè)數(shù)；Ip,Iq表示在深度方向上第p, q反射面的反射光光強(qiáng)；表示p, q兩個(gè)反射面之間的光程差；表示初始相位差。

3.加載實(shí)驗(yàn)

將被測(cè)件固定在被測(cè)臺(tái)上。將被測(cè)件被固定緊后會(huì)產(chǎn)生微小的扭曲，此時(shí)樣品在z軸方向上就產(chǎn)生了離面位移。開(kāi)啟激光器，調(diào)節(jié)溫控模塊，將溫控模塊初始溫度調(diào)到29度，待溫度穩(wěn)定到29度后，利用CCD相機(jī)等間隔采集激光器波數(shù)掃描過(guò)程中復(fù)合材料構(gòu)件的干涉圖像序列，此時(shí)激光輸出的波數(shù)其掃描范圍約為，激光調(diào)制過(guò)程中，CCD相機(jī)連續(xù)采集的1000張照片。圓頭千分尺的分辨率為1μm，對(duì)被測(cè)件的加載可以精確到每步一微米。對(duì)被測(cè)件進(jìn)行了一組圖片的采集后，沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)千分尺，加載量為10μm，重復(fù)之前的步驟采集圖像。四組加載實(shí)驗(yàn)后采集得到四組干涉圖像，對(duì)應(yīng)的加載量分別為10μm，20μm，30μm。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

復(fù)合材料的激光干涉中y=6mm處的波數(shù)掃描所得干涉光強(qiáng)序列。對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，即可得到y(tǒng)=6mm處幅頻特性圖。將光楔與被測(cè)件相對(duì)的兩個(gè)面分別設(shè)為R2，和S4，則光楔另一面即為R2面。被測(cè)件的另外三個(gè)表面依次設(shè)為S1，S2，S3。其中S2，S3為復(fù)合材料內(nèi)部散斑表面。R2S4，R2S3，R2S2，R2S1，R1S4，R1S3，R1S2，R1S1為光楔R1和R2與被測(cè)件四個(gè)表面形成的干涉信號(hào)。對(duì)加載前后的復(fù)合材料的干涉圖中每一像素值進(jìn)行傅里葉變換，對(duì)幅頻特性圖峰值處相位進(jìn)行提取，即可求出加載前后對(duì)應(yīng)的卷繞相位。得到加載后對(duì)應(yīng)的卷繞相位后，兩者做差并進(jìn)行相應(yīng)的解卷繞運(yùn)算。帶入公式(2)求出材料全部?jī)蓚€(gè)相鄰反射面在Z軸方向上離面位移的差值，通過(guò)公式(3)就可求出樣品在深度方向上其平均正應(yīng)變。

對(duì)復(fù)合材料的加載量為10um,20um和30um時(shí)，復(fù)合材料樣件的各個(gè)反射面的離面位移場(chǎng)；由力學(xué)特性可知，加載點(diǎn)處所受加載力最大，因此加載中心的離面位移量最大。本系統(tǒng)的CCD相機(jī)是完全倒置并固定的，這樣的安裝的方式導(dǎo)致相機(jī)拍攝的是測(cè)試區(qū)域翻轉(zhuǎn)180度后，上方左右兩端離加載中心距離比較近，其表示的離面位移量最大，下方的離面位移最小，呈現(xiàn)出從加載點(diǎn)向外圍逐漸減弱，且這種減弱的趨勢(shì)是線性變化的，與之前的推斷基本吻合。實(shí)際的加載量作用到被測(cè)件上時(shí)會(huì)損失部分能量，實(shí)際產(chǎn)生的離面位移量會(huì)小于加載量的值。而S4表面由于直接受到加載裝置球頭擠壓，其離面位移量會(huì)比其他面要大，變化規(guī)律為S4＞S3＞S2＞S1。

在復(fù)合材料上取四點(diǎn)A（200，200），B（1200,200），C（200,800），D（1200,800），依據(jù)力學(xué)方面原理，對(duì)原件進(jìn)行拉伸則對(duì)應(yīng)正應(yīng)變是正值，而進(jìn)行壓縮則正應(yīng)變值是負(fù)值。計(jì)算在不同擾度和散斑面下A,B,C,D四點(diǎn)正應(yīng)變，得出的數(shù)據(jù)可知，被測(cè)復(fù)合材料其整體所受到的力是均勻變化的。當(dāng)擾度是線性增加時(shí)，應(yīng)變也隨之呈現(xiàn)近視線性增加的趨勢(shì)。

5.結(jié)論

利用激光波數(shù)掃描干涉這種無(wú)損檢測(cè)的方法，對(duì)多層散斑面復(fù)合材料樣件檢測(cè)，了解其部分力學(xué)特性。得到了在光學(xué)干涉條件下，被測(cè)件的加載量線性增加時(shí)，材料的各個(gè)散斑面離面位移場(chǎng)和深度方向平均正應(yīng)變場(chǎng)隨之近似乎線性增加。

該測(cè)量方法的信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)，作為一種新型的測(cè)量手段，具有較好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的光學(xué)干涉方法只能測(cè)量材料表面或內(nèi)部某一層散斑面應(yīng)變場(chǎng)分布，本系統(tǒng)可用于測(cè)量?jī)?nèi)部多散斑表面應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量，應(yīng)用潛力巨大。

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廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A020220017）。