石英纖維增強復合材料內部孔洞缺陷的紅外熱成像檢測有限元分析研究

摘 要 在石英纖維增強樹脂基復合材料平板上鉆直徑和深度不同的盲孔，模擬材料內部的孔洞缺陷。采用數值模擬方式，建立了石英纖維增強復合材料盲孔缺陷平板試樣三維實體模型，對盲孔缺陷平板試樣紅外熱成像檢測過程進行模擬計算，重點研究了盲孔缺陷大小、深度、分布等以及脈沖熱源強度和加熱時間對紅外熱成像檢測信號的影響規律。結果表明，在一定范圍內，缺陷徑深比越大，最大溫差越大，最大溫差對比度越大，越容易被檢出；脈沖熱源強度越大和加熱時間越長，最大溫差越大，缺陷越容易被檢出；最大溫差對比度不隨熱源強度和加熱時間的改變而改變，增加熱源強度和加熱時間并不能提高紅外熱成像圖像上缺陷的清晰程度。

關鍵詞 復合材料；紅外熱成像檢測；盲孔缺陷；數值模擬

Finite Element Analysis of Infrared Thermography

Testing for Blind Holes of Quartz Fiber Reinforced

Composite Materials

XU Zhenye，LIU Zhihao，QIAN Hengkui

（The Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC， The Aeronautical Science

Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows， Ji’nan" 250023）

ABSTRACT Quartz fiber reinforced resin matrix composites drilled with the blind holes of various diameters and various depths were prepared in order to simulate defects of air voids or delaminations under the surface of the material. The three-dimensional model of quartz fiber reinforced resin matrix composite plate sample with blind hole defects was established by numerical simulation. The infrared thermal imaging detection process of the plate sample with blind holes was simulated and calculated. The influence of the size， depth and distribution of blind holes， the intensity of pulse heat source and heating time on the infrared thermal imaging detection signal was mainly studied. The results indicate that increasing in a certain range， the larger the defect diameter depth ratio is， the larger the maximum temperature difference is， the easier it is to be detected， and the larger the maximum temperature difference contrast is， the clearer it is displayed in the infrared thermal imaging. The greater the intensity and heating time of the pulse heat source， the easier the defects are detected. Increasing the intensity and heating time of the pulse heat source cannot improve the clarity of defects in the infrared thermal imaging.

KEYWORDS composite materials；infrared thermal imaging detection；blind holes；numerical simulation

1 引言

石英纖維增強復合材料因其組分多樣性和不均勻性，結構的復雜性，以及成型制造過程中工藝的不穩定性，決定了復合材料在制造過程中不可避免地會產生內部缺陷和損傷［1］；復合材料在服役過程中由于應力和環境載荷的影響容易導致內部產生不同程度的損傷［2］。不論是制造過程中產生的缺陷還是服役過程中產生的損傷都會對復合材料的性能產生巨大影響［3，4］。因此，采用合適的無損檢測技術對復合材料制造及使用過程進行有效檢測，確保內部質量至關重要。復合材料主要的無損檢測方法有超聲波、紅外熱成像［5］、X射線［6］、聲發射、激光剪切散斑［7］等，其中紅外熱成像檢測是基于熱波理論的無損檢測方法，通過主動對物體施加周期或脈沖等函數形式的可控熱激勵，使物體內部的異性結構（缺陷或損傷）以表面溫場變化的差異形式表現出來，采用紅外熱成像儀連續觀測和記錄物體表面的溫場變化，并對序列熱圖結果進行計算和處理，從而實現對物體內部異性結構的檢測和定量表征［8］。熱成像技術可以直觀的檢測出被檢對象上的熱狀態變化，具有可在役檢測［9］、非接觸、可大面積掃描檢測速度快、設備便攜等特點，可實現高效、快速檢測復合材料內部缺陷［10］。研究學者采用紅外熱成像檢測技術對碳纖維、玻璃纖維、蜂窩結構等常用復合材料進行了缺陷檢測［11-15］，驗證了紅外熱成像檢測技術的可行性以及適用性，取得了比較好的結果。另外紅外熱成像檢測過程實質是熱量在被檢對象內部的熱傳遞過程，可以采用數值模擬的方式對檢測過程進行分析研究，學者們采用數值模擬的方式對紅外熱成像進行了大量研究，任鵬飛等［16］對含有缺陷的碳纖維復合材料進行瞬態溫度場的數值模擬，分析了缺陷深度、大小和厚度對碳纖維復合材料表面熱像對比度的影響規律，許鑫［17］利用 ANSYS對玻璃纖維和高硅氧層壓板脫粘缺陷的脈沖熱像檢測法進行數值模擬，分析了缺陷直徑對檢測的影響，楊正偉等［18］對影響紅外檢測的缺陷影響因素如缺陷直徑、缺陷埋深等做了模擬研究，林隆榮等［19］對復合材料平底孔缺陷的影響因素進行了數值模擬。

為了系統研究石英纖維復合材料紅外熱成像檢測，本文采用數值模擬方式，建立了石英纖維復合材料盲孔缺陷平板試樣三維實體模型，對盲孔缺陷平板試樣紅外熱成像檢測過程進行模擬計算，重點研究了盲孔缺陷大小、深度、分布等對紅外熱成像檢測信號的影響以及脈沖熱源強度和加熱時間對紅外熱成像檢測信號的影響，為后續石英纖維增強復合材料紅外熱成像檢測實驗研究奠定了理論基礎。

2 模型建立

圖1所示為盲孔缺陷平板試樣有限元分析三維模型示意圖，圖1（a）所示為盲孔缺陷平板試樣缺陷尺寸及分布示意圖，首先制備實芯層壓板，其尺寸為420 mm×300 mm×6 mm，然后在其背面加工不同尺寸和不同深度的平底孔，用來模擬復合材料內部孔洞缺陷。按直徑分為a、b、c、d四組：Φa=20 mm、Φb=15 mm、Φc=10 mm、Φd=5 mm，如圖1（a）所示，盲孔離檢測面的距離從左到右分別為2.5 mm、2 mm、1.5 mm、1 mm和0.5 mm。采用ABAQUS有限元分析軟件對盲孔缺陷平板試樣進行了三維（3D）建模，建立了三維實體模型如圖1（b）所示，單元類型為八結點線性傳熱六面體單元（DC3D8），網格采用掃掠方式劃分，模型邊緣體單元大小為10 mm，盲孔缺陷邊緣布置不同數量的網格種子，從模型邊緣逐步向盲孔缺陷邊緣掃掠，從而實現對模型的網格劃分，如圖1（c）所示。盲孔缺陷平板試樣材料為玻璃纖維增強樹脂基復合材料，材料參數如表1所示。

目前，紅外熱成像檢測采用的熱激勵源為高能閃光燈，最大可發出的能量是9.6 kJ，閃光燈產生的光能可視為脈沖信號直接對被檢物體表面進行加熱，閃光燈脈沖熱激勵源的曝光時間為2 ms，可視為脈沖寬度。根據紅外熱成像檢測過程中熱加載情況和材料的特性，選擇有限元分析的加載方式為熱流密度加載。熱流密度表示單位時間內通過單位面積的熱量，表達式為：

q=PS（W/m2） （1）

式中，P為熱流率（功率），S為截面面積。由公式（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。紅外熱成像檢測過程中閃光燈加熱的總能量為9.6 kJ，能量傳播時有多種形式的損失，約為50 %，盲孔缺陷平板試樣加熱面的最大面積為0.126 m2，最小脈沖寬度為0.02 s，由公式（1）可估算熱流密度值約為2×106 W/m2。熱加載時間設置為0.002 s，與實際檢測過程的加載時間相同。

紅外熱成像檢測過程可分為2個階段，脈沖加熱階段和冷卻降溫階段，因此在進行有限元分析時設置了2個分析步，第1個分析步為脈沖加熱階段，時間為0.002 s，熱流密度在此分析步中加載；第2個分析步為冷卻降溫階段，時間可根據分析計算情況進行設置。紅外熱成像檢測一般在室溫下進行，因此有限元分析時模型的初始溫度設置為25 ℃，脈沖加熱階段除檢測面施加熱流密度載荷外，其他表面均按絕熱邊界條件處理，冷卻降溫階段檢測面存在表面輻射和與周圍環境的對流換熱，四個側面存在與周圍環境對流換熱，統一取對流換熱系數h=10 W/（m2 ·℃），分析過程中無內部熱源。

3 結果與討論

3.1 缺陷大小和深度對紅外熱成像檢測信號的影響

圖2所示為不同時刻盲孔缺陷平板試樣表面有限元分析的溫度云圖，在0.4889 s時，缺陷a5、b5和c5首先顯現出來，2.464 s時，缺陷a4、b4和c4顯現出來，隨著時間增加，其他缺陷依次顯現，在14.660 s時，除d1缺陷外，其他所有缺陷均顯現出來，之后隨著時間再次增加，之前顯現出來的缺陷逐漸模糊甚至消失。從圖2溫度云圖中可見（以a組缺陷為例），a組缺陷顯現的時間為ta1gt; ta2gt; ta3gt; ta4gt; ta5，缺陷直徑相同，而深度為da1gt; da2gt; da3gt; da4gt; da5，可見對于相同直徑的缺陷，缺陷越深，顯現的時間越晚。d1缺陷未能顯現出來表明紅外熱成像檢測對于深度較深、尺寸較小的缺陷無法實現檢測。

圖3（a）所示為直徑20 mm，不同深度缺陷溫度-時間曲線，從圖中可知，每一缺陷降溫曲線分為3個階段，各個階段特征如表2所示。直徑相同，不同深度的缺陷降溫缺陷在第Ⅱ和第Ⅲ階段存在明顯差異，隨著深度的增加，降溫曲線逐漸下移，這是由于深度越小，溫度很快擴散至底部趨于平穩，整體溫度較高；不同直徑缺陷降溫曲線在第Ⅱ和第Ⅲ階段趨于平緩的持續時間存在明顯差異，直徑越大，缺陷顯示最清楚的時間越長，在溫度云圖上顯示也越持久，這與圖2溫度云圖中不同缺陷顯示時間長短變化規律一致。

圖3（b）所示為直徑20 mm，不同深度盲孔缺陷溫差-時間曲線，溫差是通過缺陷區域溫度與參考區域（如圖2（e）中紅框所示）溫度相減后獲得的。從圖中可知，相同直徑，不同深度缺陷溫差-時間曲線存在明顯差異，隨著缺陷深度的增加，溫差-時間曲線上最大溫差值在減小，最大溫差所對應時間略有增加或近似認為不變，即缺陷越深越難檢測。圖3（c）所示為深度1.0 mm不同直徑盲孔缺陷溫差-時間曲線，不同直徑溫差-時間曲線存在明顯差異，隨著直徑的增加，溫差-時間曲線最大溫差逐漸增大，但增大幅度逐漸減小，最大溫差所對應時間增大，即缺陷越大越容易檢測，但當缺陷尺寸增大至一定程度后，缺陷尺寸繼續增大檢測效果不再變化。在不同盲孔缺陷溫差-時間曲線上取最大溫差和最大溫差對比度，結果如圖4所示，最大溫差和最大溫差對比度隨直徑和深度變化規律，如表3所示。

不同相同在一定范圍內，最大溫差隨缺陷直徑增大而增大，當缺陷直徑增大到一定程度時，最大溫差趨于一個恒定值，這表明在一定程度上，大缺陷比小缺陷更容易被檢測到，這是由于缺陷直徑在一定范圍內，大缺陷的熱阻大，造成更大熱量積累，更容易被檢測到；深度較深缺陷隨著直徑增大出現了最大溫差值減小情況，這表明最大溫差受缺陷深度影響是非單向。缺陷深度一定時，最大溫差對比度隨著缺陷直徑增大而增大，說明缺陷直徑越大，缺陷在紅外熱成像圖像上顯示的越清晰。

相同不同缺陷最大溫差隨著缺陷深度的增加而逐漸減小，這表明距表面越近的缺陷，越容易被檢測到；從圖中還可以看出，相同深度下，直徑15 mm缺陷最大溫差存在大于直徑20 mm缺陷最大溫差的現象，這表明缺陷直徑和深度共同影響最大溫差的變化。缺陷直徑一定時，最大溫差對比度隨著缺陷深度增大而減小，尤其在近表面，最大溫差對比度迅速減小，說明近表面缺陷在紅外熱成像圖像上顯示的更清晰。

圖5所示為綜合考慮盲孔缺陷直徑和深度，研究盲孔缺陷的徑深比對最大溫差和最大溫差對比度的影響，從圖5（a）中可知，隨著缺陷徑深比的增加，最大溫差逐漸增大，但徑深比增大至一定程度時，缺陷最大溫差趨于恒定值，說明在一定程度下，缺陷直徑越大，深度越小，越容易被檢測到，此時缺陷深度對最大溫差貢獻較大；當缺陷深度繼續減小，小到一定值時深度不能再減小，最大溫差變化受缺陷直徑影響變大，當缺陷直徑更大時，熱阻更大，而熱量積累量卻相同，熱量積累過程需要相對較長的時間，熱量才得以充分擴散，使得缺陷表面溫度與其他試樣表面的溫度相差不大。從圖5（b）中可知，缺陷徑深比越大，缺陷最大溫差對比度越大，在紅外熱成像圖像上顯示的越清晰。

3.2 脈沖熱源強度和脈沖加熱時間對紅外熱成像檢測信號的影響

圖6所示為加熱時間0.002 s時，采用1×106 W/m2、2×106 W/m2、3×106 W/m2和4×106 W/m2不同脈沖熱源強度對盲孔缺陷平板試樣進行加載得到的同一時刻下溫度云圖，從圖中可以看出，不同脈沖熱源強度下，缺陷顯現數量及清晰度并沒有差異；缺陷區域試樣表面的溫度存在一定的差異，脈沖強度越大，缺陷區域表面溫度越高。

圖7所示為熱源強度為2×106 W/m2時，采用0.001 s、0.002 s、0.003 s和0.004 s不同加熱時間進行盲孔缺陷平板試樣的有限元分析獲得的同一時刻下溫度云圖。不同加熱時間下，缺陷顯現數量及清晰度并沒有差異；缺陷區域試樣表面的溫度存在一定的差異，加熱時間越久，缺陷區域表面溫度越高。

圖8所示為加熱時間0.002 s不同脈沖熱源強度下和熱源強度為2×106 W/m2不同加熱時間下，直徑20 mm深度0.5 mm盲孔缺陷溫度-時間曲線、溫差-時間曲線和溫差對比度-時間曲線，溫度、溫差和溫差對比度隨時間變化規律，如表4所示。

圖9所示為加熱時間0.002 s不同脈沖熱源強度以及熱源強度為2×106" W/m2不同加熱時間下，直徑20 mm深度0.5 mm盲孔缺陷最大溫差和最大溫差對比度變化曲線，結果表明如表5所示。

4 結語

（1）在一定范圍內，缺陷徑深比越大，最大溫差越大，最大溫差對比度越大，越容易被檢出；缺陷尺寸越大，最大溫差越大，當缺陷尺寸增大到一定程度時，最大溫差趨于一個恒定值，大尺寸缺陷比小尺寸缺陷更容易被檢出，大尺寸缺陷在紅外熱成像圖像上更清晰；缺陷深度越大，最大溫差越小，近表缺陷容易被檢出，在紅外熱成像圖像上更清晰。

（2）脈沖熱源強度越大和加熱時間越長，最大溫差越大，增加熱源強度和加熱時間，缺陷越容易被檢出；最大溫差對比度不隨熱源強度和加熱時間的改變而改變，增加熱源強度和加熱時間并不能提高紅外熱成像圖像上缺陷的清晰程度。

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