劉濤， 趙博， 曹文萍， 李景賀

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱150028；2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022）

0 引 言

蜂窩板作為一種新型復(fù)合材料，由于其結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好、承載能力高、隔熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。鋁蜂芯夾層結(jié)構(gòu)材料包括蒙皮材料、膠接材料、蜂窩芯材料，在一定溫度和壓力下固化形成一種多相固體材料[1-3]。

由于蜂窩板制備工藝復(fù)雜，在制造和服役過程中，容易形成缺陷，影響材料的可靠性，影響蜂窩板的壽命及使用性能，因此必須及時(shí)地對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)[4-6]。積水和脫粘是蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的兩種常見的缺陷形式。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)面積大、檢測(cè)速度快、非接觸和無需耦合等優(yōu)點(diǎn)，可以方便快捷地檢測(cè)出缺陷的位置。脈沖紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)目前是最成熟、應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法之一，尤其適合薄板材料缺陷的檢測(cè)[7-9]。

本文通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)含有脫粘缺陷和積水缺陷的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行檢測(cè)分析。對(duì)脈沖熱流在試件內(nèi)部傳遞的過程進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料脫粘與積水缺陷的可靠檢測(cè)。

1 理論分析

脈沖紅外熱像檢測(cè)原理如圖1所示。通過使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、調(diào)光器，使鹵素?zé)舭l(fā)出高能脈沖熱激勵(lì)，向試件內(nèi)部進(jìn)行傳遞。當(dāng)遇到試件內(nèi)部的缺陷，如脫粘和積水缺陷時(shí)，引起試件表面溫度的變化，采用紅外熱像儀采集至計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行缺陷的識(shí)別。

圖1 脈沖紅外熱像檢測(cè)原理

2 數(shù)值模擬

紅外熱成像檢測(cè)中熱波傳播遵循熱傳導(dǎo)方程。蜂窩結(jié)構(gòu)為各向異性材料，其三維導(dǎo)熱方程為[10]

式中：kx、ky、kz為不同方向上的熱導(dǎo)率，W/（m·K）；ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，J/（kg·K）。

本文選用的鋁蜂窩板試件包括蒙皮、粘接劑、蜂窩芯。其中蒙皮為碳纖維，粘接劑為環(huán)氧樹脂，蜂窩芯為鋁合金。蜂窩芯厚度為3.8 mm，網(wǎng)格為邊長(zhǎng)5 mm的六邊菱形；環(huán)氧樹脂有兩層，厚度為0.1 mm；碳纖維有兩層，厚度為0.5 mm。幾何尺寸為160 mm×120 mm×5 mm，材料熱物理參數(shù)如表1所示。

試件幾何缺陷分布如圖2所示。圖中六邊形所示為蜂窩積水缺陷。其中第1列缺陷深度為4.7 mm，模擬蒙皮與樹脂膠膜的上脫粘缺陷；第2列缺陷深度為4.5 mm，模擬樹脂膠膜與鋁蜂窩芯的下脫粘缺陷；第3列缺陷深度為0.6 mm，模擬下表面樹脂膠膜脫粘缺陷。

表1 材料熱物理參數(shù)

3 結(jié)果分析

設(shè)置脈沖激勵(lì)功率為2 kW，脈寬為5 s，采樣時(shí)間為20 s。鋁蜂窩試件在不同時(shí)刻的試件表面溫度云圖如圖3所示。從圖中可以看出，脈沖紅外熱成像檢測(cè)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁蜂窩板脫粘缺陷和積水缺陷的檢測(cè)。圖4給出了不同缺陷直徑與缺陷深度對(duì)試件表面溫差的影響，以及積水缺陷的溫度曲線圖。由圖4（a）可知，缺陷直徑越大，試件表面溫差越大，缺陷溫差峰值ΔTMAX隨著缺陷直徑增大而逐漸增大，缺陷越容易被檢測(cè)到；由圖4（b）可知,缺陷深度越深，缺陷處與周圍無缺陷處的表面溫差ΔT越大，其檢測(cè)效果越好；由圖4（c）可知，積水的溫升較低，積水的溫度在5 s時(shí)升到最高，同時(shí)加熱結(jié)束進(jìn)入降溫階段；由圖4（d）可知，積水缺陷溫差值要低于脫粘缺陷，這是由于材料導(dǎo)熱系數(shù)不同所引起的。

圖2 缺陷幾何分布圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

鋁蜂窩試件制備實(shí)物圖如圖5所示，外觀幾何尺寸為160 mm×120 mm×5 mm，其他結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)與前述數(shù)值模擬處一致，不再重述。鉆削加工12個(gè)孔用于模擬積水和脫粘缺陷，第1列的3個(gè)孔直徑為2 mm，深度為1 mm，作為注水孔，模擬積水缺陷；第2、3、4列孔的深度分別為0.6 mm、4.5 mm和4.7 mm，這3列孔中，第1、2、3行孔的直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm，模擬脫粘缺陷。

通過鹵素?zé)簦谠嚰趁媸┘用}寬為5 s的2 kW脈沖激勵(lì)。采用FLIR系列的非制冷式紅外熱像儀A655SC，采集試件背面熱圖，采樣時(shí)間20 s。

圖3 不同時(shí)刻的試件表面溫度圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的紅外熱圖進(jìn)行處理得到歸一化后最優(yōu)幅值圖如圖6 所示。由圖可知，試件中第2列（熱圖的右邊第2列）缺陷因深度過?。?.6 mm）而未能被檢測(cè)出來；第4列缺陷比第3列缺陷檢測(cè)效果好，且第4列中的第2、3行對(duì)應(yīng)的大直徑缺陷檢測(cè)效果最佳，這表明缺陷直徑越大、深度越深，檢測(cè)效果越好。第1列為積水缺陷，該區(qū)域（熱圖的最右側(cè)）溫度較低，缺陷輪廓較為清晰。

對(duì)幅值圖選取不同缺陷直徑中心區(qū)域進(jìn)行信噪比計(jì)算，分析出不同缺陷直徑大小與信噪比（SNR）的變化規(guī)律關(guān)系，如圖7（a）所示。由圖可知，在缺陷深度一定時(shí)，缺陷直徑越大，信噪比越高，表明在有無缺陷區(qū)域間的溫差越大，噪聲干擾越小，檢測(cè)效果越好。對(duì)幅值圖選取不同缺陷深度中心區(qū)域進(jìn)行信噪比計(jì)算，分析出不同缺陷深度大小與信噪比的變化規(guī)律關(guān)系，如圖7（b）所示。由圖可知，在缺陷直徑一定時(shí)，缺陷深度越大，其信噪比越高，表明在有無缺陷區(qū)域間的溫差越大，噪聲干擾越小，檢測(cè)效果越好。

圖4 缺陷直徑以及缺陷深度對(duì)試件表面溫差的影響

圖5 鋁蜂窩試件制備實(shí)物圖

5 結(jié) 語(yǔ)

以含有脫粘缺陷和積水缺陷的鋁蜂窩板為研究對(duì)象，通過理論分析和數(shù)值模擬，分析了缺陷直徑和缺陷深度對(duì)檢測(cè)效果的影響，并對(duì)比分析了脫粘缺陷和積水缺陷檢測(cè)效果。通過制作蜂窩缺陷試件，開展實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)采集到的紅外熱圖進(jìn)行處理得到了歸一化后最優(yōu)幅值圖，進(jìn)而分析獲得了缺陷直徑和深度對(duì)檢測(cè)效果的影響規(guī)律。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩者間規(guī)律一致，缺陷直徑越大、缺陷深度越大，檢測(cè)效果越明顯；積水缺陷易于檢測(cè)。

圖6 最優(yōu)幅值圖

圖7 不同缺陷直徑與深度對(duì)檢測(cè)效果的影響