玻璃纤维复合材料层压板脱粘缺陷的脉冲热像检测的研究

分析软件 Ａ ＮＳ ＹＳ对层压板脱粘缺 陷的脉冲热像检测 法进行数 值模拟 ， 研 究 了缺 陷深度等 与信 息参数 之 间的关 系。研 究结果表 明， 在 脉冲热像检 测 中， 最大温差和 最大对比度 等代表检 测效果的信息参数随着缺陷深度 的增大而减 小 ， 随着
缺 陷 半 径 的 增 大而 增 大 。
１ 层压 板脱粘缺 陷的检测模型 ２ 层压板脱粘检测 的数值模 拟方法
采 用 轴 对称 模 型 在 柱 坐标 系 下 建 立 复合 材 料 试
件红外热像无损检￣（ Ｉ Ｒ Ｎ Ｄ Ｔ ） 的物理模型 ， 如图 １ 所 ２ ． １ 信 息参数 的定义 示 。图 １ 中ａ ｒ ｅ ａ ｌ 、 ２ 为复合材料， ａ ｒ ｅ ａ ３为空气 。试件 为 了研究可检测 的表面温度信号与缺陷、试件 的总厚度为 ， 半径为 。在材料内部 中心部位有一 结构 、 材料 、 加热等参数之 间的关系 ， 这里要定 义一 圆盘状脱粘缺陷。缺陷半径为 ｒ ｄ ， 缺 陷深度为 ｚ ， 缺陷 些典型的可检信号特征参数 ， 即信息参数 。
） ＝ ｔ ｈ
一
脱粘缺陷进行无损检测是十分必要的。其 中， 红外热 像无损检测以其单次成像面积大 、 非接触 、 可单 面检 测、 快速 、 简便 、 安全 等优点在 复合材料 的无损检测 领 域 占有 一席 之地 【 ３ １ 。
根据 热 激励 方 式 的不 同 ，红 外 无 损 检测 有 多种 式 中，
Ｔ＝ —Ｔ ｏ （ ２ ） 所示 。
温差 ：缺陷区表面中心的过余温度 与无缺陷
区表 面 中心 的过余 温 度 的差 ， 记为 Ａ Ｔ 。
Ａ Ｔ＝Ｔ ｏ — （ ３ ）
对 比度 ：缺陷区和无缺陷区过余温度信号 的相
对 差别 ， 记为 Ｃ 。
Ｃ＝ＡＴ／ ｎ （ ４ ）
过余温度 ： 试件瞬态温度 与周 围环境（ 空气） 温 缺 陷半 径 ｒ ｄ ＝５ ｍｍ） ， 当加 热功 率 密度 ｑ 。 ＝ ｌ ０ ６ ｗ／ ｍ ～ ， 度 的差 ， 记 为 。 加热 时 间 ｔ ＝０ ． Ｏ １ ｓ 时 ，表 面温度 场 时 间历 程 如 图 ２
本 文 将 使用 基 于 有 限单 元 法 的数值 模 拟 方 法 对
～
玻璃纤维复合材料层 压板 的脱粘缺 陷的脉冲热像检 图 １ 复合材料调制红外热像检测的物 理模 型 测 进 行研 究 ，主要 目的是 揭 示缺 陷深 度 和缺 陷半 径 因为具 有轴 对称 性 ，把 ３ Ｄ问题 简化 为 ２ Ｄ 问题 对检 测效 果 的定 量影 响 。 来 计 算 。将 重点 考察 缺 陷 区表 面 中心 点 Ｄ和无 缺 陷 区表 面典 型点 Ｎ 的温度 变化 规律 。
《 装 备制 造技 术） ２ ０ １ ３年第 ９期
玻 璃 纤 维 复 合材 料层 压 板 脱 粘 缺 陷 的脉冲热像检测 的研 究
吴 大 军 干
（ 北 京航 空航 天 大学 机械 工程 及 自动化 学 院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
摘 要： 用数 值 模 拟 方 法研 究 了玻 璃 纤 维 增 强 塑 料 （ Ｇ Ｆ ＲＰ ） 层 压 板 中 的 脱 粘 缺 陷 的 脉 冲 热 像 无损 检 测 的 规 律 。 用 有 限 元
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ — ０ ９ 作者 简介 ： 吴 军（ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 江西宜春人 ， 在读硕士研究 生 ， 主要研究 方向 ： 红外热无损检测 。 ７
Ｅｑｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍ ａ ｎ ｕｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎｇ Ｔｅ ｃ ｈｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ９， ２ ０１ ３
ｃ表达 了缺陷区和无缺陷区过余温度信号 的相 对差别 ， 与Ａ Ｔ 相 比其优点是最大程度地去掉了对加 热能量 （ 加热幅值与加热时间的乘积） 的依赖 。 另外 ，称绝对值最大的温差为最大温差 ，记为 △ ， 其 出现的时刻 ｔ 称为最大温差时间 ， 称绝对值 最大的对 比度为最大对 比度， 记为 ， 其出现的时刻 ｔ 称 为 最大 对 比度 时 间 。△ 能说 明红 外检 测 的可 行性 ， 能说明缺陷在图像中的清晰程度 。 △ 与加 热 能 量直 接 相关 ， 而 ｃ ｍ 最 大 限度 地去 掉 了与加 热 能
能下降 ， 且在断裂或损坏前几乎没有征兆， 具有 突然 温度 。加热面从 ｔ ＝０ 开始受到热流 口 （ ￡ ） 的作用 。
性， 往往 对 结 构 造成 致 命 威胁 ， 因此对 于复合 材料 的
对典型的脉冲热像法（ Ｐ Ｔ ， Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ） ， 有
关键 词 ： 复合材料 ； 红外 ； 脉冲热像法 ； 无损检测 ； 仿真
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｂ ３ ３ 文 献标 识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ０ ７ — ０ ３

复合 材 料 作 为一 种 性 能优 良的材 料 ，在 装 备 制
厚度为 ｄ 。设上 、 下表面与外界存在着 自 然对流热交
造领 域 已经 被 广 泛应 用 ２ ］ ， 但 是 复 合 材 料 在 制 造 和 换 （ 辐射换热也等效为对流换热 ） ， 换热系数 为 ｈ ， 在 使用过程中容易 出现脱粘缺陷 ，导致复合材料 的性 边 界 ｒ ＝Ｒ处 绝 热 。 试 件初 始温 度场 均匀 且 等于环 境
（ １ ）
ｑ 。 为加热功率面密度 ， ｗ／ ｍ ２ ； ｔ ｈ 为加 热 时间 ， ｓ 。
具体方法 ， 如脉冲热像法（ Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ， Ｐ Ｔ １ 、 调 制热像法（ Ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ， Ｍ ｒ ） 和振动热像法 等， 其中脉 冲热像法 以其检测速度快 ， 实验设备简单 的特 点受 到 了更广 泛 的关 注 ［ ４ ｌ 。