石英纖維復合材料熱加載激光剪切散斑檢測有限元分析

(航空工業濟南特種結構研究所 高性能電磁窗航空科技重點實驗室，濟南 250023)

石英纖維復合材料因其組分的多樣性和不均勻性，結構的復雜性，以及成型中工藝的不穩定性，在制造過程中不可避免地會產生內部缺陷和損傷[1]；在服役過程中受應力和環境載荷的影響，復合材料內部也會產生不同程度的損傷[2]。不論是制造過程中還是服役過程中產生的缺陷都會對復合材料的性能產生巨大影響[3-4]。因此，在復合材料的制造及使用過程中，采用合適的無損檢測技術對其進行有效檢測，確保其質量的可靠性是至關重要的。

復合材料主要的無損檢測方法有超聲檢測、紅外熱成像[5]、X射線[6]、聲發射、激光剪切散斑[7]等，其中，激光剪切散斑檢測是一種比較新穎有效的無損檢測方法，近年來廣泛應用于復合材料內部缺陷的檢測中，具有非接觸、無污染、不受工件幾何外形和尺寸限制、可現場檢測、檢測靈敏度高、檢測效率高等優點。其本質是一種數字光學干涉技術，檢測原理是：在載荷作用下，材料缺陷區域的表面會產生微變形(即離面位移)，通過工業CCD相機對缺陷變形前后激光散斑場的采集，并利用圖像處理等技術實現對缺陷位置、大小的分析，測量離面位移是實現缺陷檢測和識別的關鍵。

研究學者對碳纖維復合材料激光剪切散斑檢測能力、檢測精度和檢測適用性研究較多[8-14]，普遍采用有限元分析對離面位移進行計算，但對石英纖維復合材料激光剪切散斑檢測技術的研究還較少。郭廣平[15]采用計算機模擬技術研究了錯位量大小對條紋圖的影響，提出了條紋圖解釋的“對點位移差”理論。賈曉艷[16]、涂俊[17]、郭孝歡[18]等運用有限元分析方法對真空加載下蜂窩夾層結構缺陷外表面產生的離面位移進行了計算。侯日立[19]針對熱加載激光剪切散斑檢測，通過有限元分析研究了加載溫度、加熱時間、冷卻時間對檢測信號的影響規律。

學者們對激光剪切散斑檢測真空加載的有限元分析研究較多，而對熱加載分析的研究較少，已有研究采用溫度加熱和冷卻來模擬熱加載，這與實際檢測過程尚存在一定差距。筆者以熱流密度作為加載載荷來模擬熱加載過程，借助ABAQUS有限元分析軟件，采用順序耦合熱應力分析方法，對石英纖維復合材料盲孔缺陷熱加載激光剪切散斑檢測進行有限元分析，研究了加載載荷、加熱時間、冷卻時間以及盲孔缺陷直徑和深度對檢測信號的影響規律，為后續檢測試驗提供了理論指導。

圖1 盲孔缺陷平板試樣結構

圖2 盲孔缺陷平板試樣有限元分析模型

1 模型建立

圖1所示為盲孔缺陷平板試樣結構，首先制備尺寸(長×寬×厚)為420 mm×300 mmX6 mm的實芯層壓板，然后在其背面鉆不同直徑和不同深度的平底孔，用來模擬復合材料內部孔洞缺陷。將單個盲孔缺陷作為研究對象，建立有限元分析模型(見圖2)。其中圖2(a)所示為尺寸(長×寬)為100 mm×100 mm，帶有單個不同尺寸盲孔缺陷的平板試樣結構示意圖，圖2(b)所示為對盲孔缺陷平板試樣的鋪層設計示意圖，試樣的鋪層角度為0O和90O，試樣厚度為6 mm，每一鋪層厚度為0.2 mm，共計鋪層數為30層。所采用的復合材料的材料參數如表1所示。

熱加載檢測過程中對試樣表面進行加熱，缺陷區與非缺陷區的熱傳導特性存在差異，熱傳導在缺陷區受阻，形成熱量堆積，產生較大熱應力，進而導致局部產生較大程度的熱變形，因此對熱加載檢測過程的模擬是一個瞬態的熱力耦合分析問題。采用順序耦合熱應力分析方法，先進行熱傳導分析，再將溫度結果導入穩態熱應力分析模塊中，從而實現瞬態熱力耦合分析。

表1 復合材料的材料參數

現有的熱加載激光剪切散斑檢測通常采用鹵素燈加熱，檢測過程中使用風扇保證空氣的強制對流。在進行熱傳導分析時，試樣與外界的熱交換方式主要為熱輻射和熱對流兩種方式，主要分為加熱和冷卻兩個階段，加熱過程采用等效熱流密度加載的方式，熱流密度表示單位時間內通過單位面積的熱量，可用式(1)表示。

q=P/S

(1)

式中：P為熱流率(功率)；S為截面面積。

由式(1)可知，通過熱流率和加熱面的有效面積就可以估算出熱流密度的大小。

2 試驗結果分析

圖3(a)所示為加熱時間為3 s，冷卻時間為50 s時，直徑20 mm，深度2 mm的盲孔缺陷有限元分析表面位移示意，從圖3(a)中可知缺陷區域表面變形情況與非缺陷區域變形情況存在明顯差異，邊緣區域因在分析過程中施加了固定約束，因此位移量為0 mm，變形圖顯示的是模型沿z軸負方向的位移情況，可直接讀取各節點位移；沿圖3(a)中的線1長度方向(從左到右)獲得各節點位移量，得到離面位移-位置曲線如圖3(b)所示，從圖中可知，缺陷區域位移明顯大于其他非缺陷區域的，因此可以通過建立的分析模型及加載方法來實現對熱加載激光剪切散斑檢測的有限元分析。

圖3 熱加載下，直徑20 mm，深度2 mm盲孔缺陷的有限元分析表面位移示意及離面位移-位置曲線

2.1 加載載荷對檢測信號的影響

熱加載激光剪切散斑檢測采用的鹵素燈功率通常為500，1 000，2 000 W，能量傳播時有多種形式的損失，約為50%，檢測過程中試樣的最大面積為0.126 m2，可計算得出等效熱流密度q約為2 000，4 000，8 000 W·m-2，選取此3個載荷為變量，研究不同加載載荷對激光剪切散斑檢測信號的影響，加熱時間為3 s，冷卻時間為50 s。圖4所示為直徑20 mm，深度2.5 mm盲孔缺陷在不同加載載荷下的離面位移-位置曲線，從圖中可以看出，隨著加載載荷的增大，盲孔缺陷區域表面的離面位移逐漸增大，同時非缺陷區域的離面位移也隨之增大，即載荷過大會使被檢試樣產生較大的整體變形，無法有效突出缺陷區域的變形情況，影響最終檢測效果。

圖4 不同加載載荷下，直徑20 mm，深度2.5 mm盲孔缺陷的離面位移-位置曲線

涂俊[18]在其碩士論文中提到當施加載荷使缺陷變形達到2 μm以上時，激光剪切散斑設備才可以得出可靠的檢測結果，因此以參考值2 μm(見圖4)作為衡量盲孔缺陷能否被有效識別的依據。從圖4中還看出，當加載載荷為2 000 W·m-2時，盲孔缺陷試樣的離面位移均在參考值2 μm以下，缺陷無法被有效識別；隨著載荷的增大，盲孔缺陷試樣的離面位移逐漸增大，并超過參考值，缺陷能被識別出來。故，在實際檢測過程中，可通過增大加載載荷的方式來提高缺陷的檢測能力，但載荷過大會導致整體變形較大，影響檢測效果。

2.2 加熱時間對檢測信號的影響

激光剪切散斑檢測熱加載時，可通過調整加熱時間來改善缺陷的檢測效果，文中研究了不同加熱時間對檢測信號的影響，選取的加熱時間為3,5,10,15,20 s，冷卻時間為50 s，加載載荷為4 000 W·m-2。圖5所示為上述不同加熱時間下，直徑20 mm，深度2 mm盲孔缺陷的離面位移-位置曲線，從圖中可以清楚地看出，隨著加熱時間的增加，盲孔缺陷區域的離面位移逐漸增大，超過參考值2 μm的幅度也在逐漸增大，同時非缺陷區域的離面位移也在增大，因此增加加熱時間可以有效提高缺陷的檢測能力和檢測精度，但由于加熱時間的增加會導致試樣整體變形變大，影響最終檢測效果；另外，加熱時間增加時，勢必會增加檢測時間，影響檢測效率。

圖5 不同加熱時間下，直徑20 mm，深度2 mm盲孔缺陷的離面位移-位置曲線

2.3 冷卻時間對檢測信號的影響

激光剪切散斑檢測熱加載時，可通過調整冷卻時間來改善缺陷的檢測效果，文中研究了不同冷卻時間對檢測信號的影響，選取的冷卻時間為50,60,70,80,90,100 s，加熱時間為3 s，加載載荷為4 000 W·m-2。圖6所示為上述不同冷卻時間下，直徑20 mm，深度2 mm盲孔缺陷的有限元分析結果。從圖6(a)中可以看出隨著冷卻時間的延長，盲孔缺陷離面位移變化不大。

圖6 不同冷卻時間下，直徑20 mm，深度2 mm盲孔缺陷的有限元分析結果

文章采用順序耦合熱應力分析方法，對復合材料盲孔缺陷熱加載激光剪切散斑檢測進行有限元分析，首先對盲孔缺陷試樣進行瞬態熱傳導分析，設置不同的加熱時間和冷卻時間，然后將溫度分析結果導入穩態熱應力分析模塊中，穩態熱應力分析時將瞬態熱傳導分析的時間歷程重新劃分到兩個時間步中，圖6(b)所示為盲孔缺陷在不同冷卻時間下的離面位移-時間曲線，曲線分為2個階段。其中，第一階段為01 s加熱階段，此時離面位移變化不大；第二階段為12 s冷卻階段，此時離面位移迅速增大，當冷卻時間為50 s時，離面位移隨著冷卻時間的延長逐漸趨于穩定，當冷卻時間大于50 s時，離面位移隨著冷卻時間的延長逐漸減小，這是由于隨著冷卻時間的延長，試樣表面溫度逐漸降低，熱變形恢復。延長冷卻時間并不能使盲孔缺陷離面位移增大，但是會引起冷卻階段離面位移的減小。由于冷卻階段溫度變化比較平緩，更利于檢測信號的獲取的，從而有利于缺陷的識別，因此實際檢測過程中，得到的結果更多的是冷卻階段的檢測結果，但同時會增加檢測時間，影響檢測效率。

圖7 不同直徑和深度盲孔缺陷的離面位移

2.4 缺陷直徑和深度對檢測信號的影響

圖7所示為加載載荷為4 000 W·m-2，加熱時間為3 s，冷卻時間為50 s時，不同直徑和深度盲孔缺陷的離面位移分析結果。從圖7中可以清楚地看到，不同直徑的盲孔缺陷隨著缺陷深度的逐漸增大，缺陷區域表面的離面位移逐漸減小，深度小于1 mm時，離面位移下降幅度較大，可確定激光剪切散斑檢測技術對淺表缺陷具有較好的檢測效果。不同深度的盲孔缺陷隨著缺陷直徑的逐漸增大，缺陷區域表面的離面位移逐漸增大，深度越小，離面位移的增大幅度越大。以參考值2 μm作為缺陷識別的依據，可知不同深度的直徑5 mm的盲孔缺陷均未被有效識別，深度大于1 mm的直徑10 mm的盲孔缺陷未被有效識別，不同深度的直徑15 mm和20 mm的盲孔缺陷均能被有效識別，因此盲孔缺陷的直徑和深度共同影響激光剪切散斑檢測信號，盲孔缺陷直徑越大，深度越小，越容易被檢測出來，可以初步確定激光剪切散斑檢測技術的缺陷檢測精度為深度≤1 mm，直徑≥10 mm。

綜合考慮盲孔缺陷直徑和深度對激光剪切散斑檢測信號的影響，圖8所示為熱加載下，不同徑深比盲孔缺陷的離面位移變化情況，由圖可知，當盲孔缺陷徑深比≤5時，缺陷的離面位移小于參考值2 μm，可以預測缺陷檢測效果不佳，檢測精度低。

圖8 不同徑深比盲孔缺陷的離面位移變化

3 結論

(1) 增大加載載荷可提高缺陷的檢測能力，但載荷過大會導致試樣整體變形較大，影響檢測效果；增加加熱時間可以有效提高缺陷的檢測能力和檢測精度，但會導致試樣整體變形較大，影響最終檢測效果，同時會增加檢測時間，影響檢測效率。

(2) 延長冷卻時間并不能提高缺陷的檢測能力，但可以提高缺陷的識別能力，改善缺陷的最終檢測效果，同時會增加檢測時間，影響檢測效率。

(3) 盲孔缺陷的直徑和深度共同影響激光剪切散斑檢測信號，盲孔缺陷直徑越大，深度越小，越容易被檢測出來，當盲孔缺陷徑深比≤5時，缺陷的離面位移小于參考值2 μm，可以預測缺陷檢測效果不佳，檢測精度低。

(4)可以初步確定激光剪切散斑檢測技術的缺陷檢測精度為深度≤1 mm，直徑≥10 mm。