复合材料的分层缺陷演示教学

碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测方法研究
朱滨海;王佳;付国;李怡琳;程梦婷
【期刊名称】《中国设备工程》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】CFRP是一种具有较低的相对密度、较高的比强度和较大的比模量的材料,它已经被广泛应用于航空航天、汽车等领域。

然而,由于它在生产和使用过程中容易出现分层缺陷,这会严重影响它的力学性能。

因此,我们开发了一种新的超声相控阵检测方法来解决这个问题。

首先,利用超声相控阵检测仪器测量了不同大小和位置的分层缺陷超声A扫描信号;其次,通过设置A扫描信号的闸门,提取闸门内的幅值和深度信息作为表征分层缺陷大小和位置的信号特征;最后,利用提取的幅值和深度信号特征分别构建了分层缺陷的C扫描图像。

结果表明,超声相控阵技术对分层缺陷有良好的成像效果,基于深度特征的图像可以准确识别分层缺陷的位置;而基于深度和幅值特征的图像,用于识别分层缺陷的轮廊。

【总页数】2页(P191-192)
【作者】朱滨海;王佳;付国;李怡琳;程梦婷
【作者单位】南京航空航天大学;成都国营锦江机器厂
【正文语种】中文
【中图分类】TB33
【相关文献】
1.碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测方法
2.超声相控阵的碳纤维复合材料夹杂缺陷检测方法
3.相控阵超声检测技术在碳纤维结构分层缺陷检测中的试验
4.复合材料层压板分层缺陷相控阵超声检测参数优化方法
5.相控阵超声检测技术在碳纤维复合材料分层缺陷的应用研究
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复合材料成型缺陷分析与控制在现代工业领域中，复合材料因其优异的性能，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等众多领域。

然而，复合材料的成型过程并非一帆风顺，常常会出现各种缺陷，这些缺陷不仅影响产品的外观质量，更可能严重削弱其性能和可靠性，甚至导致产品报废。

因此，对复合材料成型缺陷进行深入分析，并采取有效的控制措施，具有至关重要的意义。

一、复合材料成型缺陷的类型及成因（一）孔隙孔隙是复合材料成型中最常见的缺陷之一。

它表现为材料内部存在的微小空洞，其成因较为复杂。

树脂浸润纤维不充分、固化过程中产生的挥发物无法及时排出、成型压力不足等都可能导致孔隙的产生。

孔隙的存在会降低材料的强度和刚度，影响其耐疲劳性能和耐腐蚀性。

（二）分层分层指的是复合材料层间的分离现象。

通常是由于层间结合力不足、成型过程中的冲击或振动、树脂固化不均匀等原因引起的。

分层会显著降低复合材料的层间强度，使其承载能力大幅下降。

（三）纤维弯曲和断裂在成型过程中，纤维可能会发生弯曲和断裂。

这可能是由于纤维在铺放过程中受到不当的张力或压力，或者在模具中流动的树脂对纤维产生了剪切作用。

纤维的弯曲和断裂会直接影响复合材料的力学性能，使其强度和刚度达不到设计要求。

（四）树脂富脂和贫脂区树脂分布不均匀会导致富脂区和贫脂区的出现。

富脂区树脂含量过高，会增加材料的重量和成本，同时降低其强度；贫脂区则由于树脂不足，无法充分浸润和保护纤维，影响复合材料的性能和耐久性。

（五）表面缺陷表面缺陷包括表面粗糙、凹坑、鼓包等。

这可能是由于模具表面不光滑、脱模剂使用不当、树脂固化收缩不均等原因造成的。

表面缺陷不仅影响产品的外观质量，还可能成为应力集中点，降低材料的使用寿命。

二、复合材料成型缺陷的影响（一）力学性能下降孔隙、分层、纤维弯曲和断裂等缺陷都会导致复合材料的力学性能，如强度、刚度、韧性等下降。

这使得复合材料在使用过程中无法承受预期的载荷，增加了失效的风险。

第49卷2021年2月第2期第149-157页材料工程J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n gV o l.49F e b.2021N o.2p p.149-157复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估D e l a m i n a t i o nd e f e c t s t e s t i n g a n d e v a l u a t i o no f c o m p o s i t e l a m i n a t e su s i n gp h a s e da r r a yu l t r a s o n i c t e c h n i q u e曹弘毅1,马蒙源1,丁国强1,姜明顺1,孙琳2,张雷1,贾磊1,田爱琴2,梁建英2(1山东大学控制科学与工程学院,济南250061;2中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111)C A O H o n g-y i1,MA M e n g-y u a n1,D I N G G u o-q i a n g1,J I A N G M i n g-s h u n1,S U N L i n2,Z H A N GL e i1,J I A L e i1,T I A N A i-q i n2,L I A N GJ i a n-y i n g2(1S c h o o l o fC o n t r o l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,S h a n d o n gU n i v e r s i t y,J i n a n250061,C h i n a;2C R R CQ i n g d a oS i f a n gC o.,L t d.,Q i n g d a o266111,S h a n d o n g,C h i n a)摘要:针对碳纤维增强树脂基复合材料分层缺陷的无损检测与评估问题,通过制备预埋分层缺陷的标准试样,利用超声相控阵技术对缺陷进行无损检测与定量评估,并对测量误差进行分析㊂首先,在层压板铺层中间埋入聚酰亚胺薄膜制备分层缺陷试样;然后,对试样进行超声相控阵检测,通过超声S扫和C扫图像对缺陷进行定性分析与定量测量,并结合声场仿真对检测误差进行分析㊂结果表明:所制备试样内分层缺陷形状规则㊁埋深及大小与预设一致;超声相控阵步进方向检测尺寸比较准确,而扫查方向尺寸误差较大;超声相控阵技术能够准确识别分层缺陷的形状㊁尺寸及位置,具有很高的检测精度,对较小缺陷具有很好的检测效果㊂关键词:复合材料;分层缺陷;无损检测;超声;评估d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2020.000405中图分类号:T B553文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2021)02-0149-09A b s t r a c t:C o m p o s i t em a t e r i a l sa r e p r o n e t od e l a m i n a t i o nd e f e c t sd u r i n g t h e p r e p a r a t i o n p r o c e s s.F o r t h en o n-d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n de v a l u a t i o no fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e r(C F R P)d e l a m i n a t i o n d e f e c t s,a s t a n d a r d s p e c i m e nw i t h e m b e d d e d d e l a m i n a t i o n d e f e c t sw a s p r e p a r e d,a n d t h e n p h a s e d a r r a y u l t r a s o n i cn o n-d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n o l o g y w a s u s e d t o d e t e c tt h e d e l a m i n a t i o n d e f e c t s.T h e q u a l i t a t i v e a s s e s s m e n t a n d q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no f d e l a m i n a t i o nd e f e c t sw e r e c a r r i e do u t.F i r s t,t h e d e l a m i n a t i o nd e f e c t s p e c i m e n w a s p r e p a r e dw i t ht h ea u t o c l a v e f o r m i n gp r o c e s s,a n d p o l y i m i d e f i l m s w e r e e m b e d d e d i n t h e s p e c i m e nb e f o r e p r o g r e s s;t h e n,t h e s p e c i m e nw a s i n s p e c t e du s i n gp h a s e d a r r a y u l t r a s o n i c t e c h n i q u e,q u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t o f d e l a m i n a t i o nd e f e c t sw e r ea n a l y z e d w i t hu l t r a s o n i cS-s c a na n dC-s c a n i m a g e,u n c e r t a i n t y a n a l y s i so f t e s t r e s u l t sw e r ea l s od i s c u s s e d i nc o m b i n a t i o nw i t ht h es o u n df i e l ds i m u l a t i o n.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es h a p e so f t h ede l a m i n a t i o nd e f e c t s i n t h e s a m p l e a r e r e g u l a r,t h e e m b e d m e n t d e p t ha n ds i z e a r e c o n s i s t e n tw i t ht h e p r e s e t.T h e i n d e xd i r e c t i o n s i z eo f t h ed e l a m i n a t i o nd e f e c t i sm o r ea c c u r a t e,a n dt h es c a nd i r e c t i o ns i z e i s l a r g e r t h a n t h ea c t u a ls i z e.P h a s e da r r a y u l t r a s o n i ct e c h n i q u ec a na c c u r a t e l y i d e n t i f y t h es h a p e,s i z ea n d p o s i t i o no f d e l a m i n a t i o nd e f e c t sw i t hh i g hd e t e c t i o na c c u r a c y a n ds t i l lh a s g o o dd e t e c t i o ne f f e c t s f o r s m a l l d e f e c t s.K e y w o r d s:c o m p o s i t e s;d e l a m i n a t i o nd e f e c t;n o n-d e s t r u c t i o n t e s t i n g;u l t r a s o n i c;e v a l u a t i o n材料工程2021年2月碳纤维增强树脂基复合材料(c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r,C F R P)作为高性能结构材料,具有比强度高㊁比刚度大㊁耐腐蚀㊁可设计性好等优点,在航空航天㊁轨道交通和船舶等领域获得了广泛应用[1-2]㊂但由于复合材料的特殊制造工艺及其多铺层的特点,导致在制造过程中容易出现不稳定现象,伴随着某些制造缺陷的产生,常见的缺陷有分层㊁夹杂㊁脱粘㊁孔隙等,严重影响材料结构性能㊂并且缺陷在服役过程中由于应力作用不断扩展,大大降低结构件的残余强度,导致结构整体失效或其他灾难性后果[3]㊂因此,复合材料缺陷检测是复合材料制造过程中需要关注的焦点㊂复合材料具有各向异性及多铺层界面特性,导致其界面行为及缺陷信号特征复杂㊂而无损检测与评估技术能够提供复合材料内部损伤的基础信息,是缺陷定量评估及损伤行为分析的一种有效手段[4-6]㊂因此,很多学者对复合材料无损检测技术进行了广泛研究,常用无损检测技术包括超声[7]㊁L a m b波[8]㊁红外热成像[9-10]等㊂超声相控阵技术具有声束灵活可控㊁检测精度和灵敏度高㊁检测效率高等优势,被认为是一种非常有发展潜力的无损检测方法,在复合材料无损检测领域受到越来越多的关注[6]㊂N a g e s w a r a n等[11]通过在C F R P试样中预埋特氟龙薄膜制备分层缺陷,并使用超声相控阵技术对其检测,准确识别出预埋缺陷形状,但并未对缺陷进行定量评估;徐娜等[12]利用线型相控阵换能器对L型构件R区进行检测,通过对相控阵聚焦法则的优化设计,准确检测出R区分层缺陷形状及深度,但未对缺陷尺寸进行定量评估;张冬梅等[13]利用超声相控阵技术对复合材料R区分层缺陷进行检测,通过对线阵及弧阵相控阵探头的实验研究,对试样厚度及缺陷深度进行了定量测量,缺少对缺陷尺寸的定量分析;李健等[14]利用超声相控阵检测A扫数据,结合小波包与B P神经网络算法,对C F R P分层㊁夹杂和脱粘缺陷进行分类,有效提高了缺陷的检测效率,但是仅限对缺陷进行定性分析识别,未进行有效的定量评估;M e o l a等[15]利用超声相控阵技术对C F R P中预埋分层缺陷进行了检测,并和红外热成像技术进行对比,证明超声相控阵技术能够有效检测出预埋缺陷的形状㊁尺寸和深度,但其仅预埋一个直径20m m的圆形缺陷,数量较少且直径较大,不利于对超声相控阵技术检测能力进行充分评估;C a m i n e r 等[16]为充分评估超声相控阵技术对C F R P分层缺陷的检测能力,制备了预埋多种不同材质㊁形状㊁尺寸及埋深分层缺陷的试样,并对铺层方式及厚度对检测结果的影响做了研究,但其制作工艺及缺陷材质特性导致其预埋分层缺陷易产生变形,一定程度上影响对检测结果的定量评估,且缺陷尺寸较大(ȡ10m m)也不利于对超声相控阵检测能力的评估㊂上述研究中受限于分层试样的制作效果,对分层缺陷的检测误差分析较少;此外,预埋缺陷数量较少㊁直径较大,不能对超声相控阵检测能力进行很好的评估㊂针对上述问题,本工作首先制备含有不同埋深及尺寸分层缺陷的C F R P层压板试样;然后利用超声相控阵技术对其进行检测,通过S扫描与C扫描图像对检测结果进行分析与测量,并结合声场仿真对检测结果进行误差分析,实现了试样分层缺陷的可视化分析与定量评估㊂1实验材料及方法1.1分层缺陷试样超声信号在复合材料传播过程中,当内部存在损伤或缺陷时,由于声阻抗的不同,将会导致入射声波发生反射㊁衍射等行为㊂声波的反射强度(能量)与缺陷的物理性质(如密度㊁弹性常数)有关:R=νDρD-νCρCνDρD+νCρC(1)式中:R为入射声波在缺陷界面的声压反射系数;νD 为入射声波在缺陷中的传播速率;ρD为缺陷区密度;νC为入射声波在复合材料中的传播速率;ρC为复合材料的密度㊂R值越大,表明声波反射越强烈㊂因此,选择声阻抗与复合材料相近的聚酰亚胺薄膜作为分层缺陷,声波在缺陷处反射信号较弱,能够有效地评估超声相控阵对分层缺陷的检测能力,且聚酰亚胺耐高温可有效防止预埋缺陷在制备过程中的扭曲变形㊂分层缺陷试样尺寸为250m mˑ200m m,厚度为3.0m m㊂原材料为东丽T300编织碳纤维斜纹预浸布(F AW200/69),克重200g/m2,单层名义厚度0.25m m㊂试样铺层方式[90/0]7,共14层,其中0ʎ方向为长边方向㊂通过在铺层之间预埋聚酰亚胺薄膜制备分层缺陷,薄膜厚度为0.025m m㊂试样铺层及缺陷埋入方式如图1所示,预埋位置共3处,分别为浅层(第2,3铺层之间)㊁中间层(第7,8铺层之间)㊁深层(第11,12铺层之间),每层预埋4个圆形缺陷,直径分别为12,9,6,3m m㊂聚酰亚胺薄膜预埋入铺层时喷涂适量脱模剂,阻止其与预浸布铺层发生粘连,有效防止其在试样固化成型过程中发生扭曲变形㊂试样使用热压罐成型工艺制备,将铺叠后的试样毛坯密封于真空袋内,抽真空后放入热压罐中,按照预浸布固化工艺进行升温㊁升压㊁固化成型,固化温度与压力分别为130ħ,600k P a㊂051第49卷 第2期复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估图1 试样尺寸及缺陷预埋方式F i g .1 S pe c i m e n s i z e a n dd e l a m i n a t i o nd ef e c t s e m b e d m e n tm e t h o d 铺叠后试样名义厚度为3.5m m ,但在试样制备过程中由于高温高压作用,试样成品最终厚度约为3m m ㊂假定固化过程中各铺层具有相同的压缩量,则各层分层缺陷预埋深度(d s )分别为浅层0.43m m ㊁中间层1.50m m ㊁深层2.34m m ㊂1.2 超声相控阵检测技术超声相控阵检测原理如图2所示,超声相控阵技术可以同时对阵列探头中的多个晶元进行激励,通过控制每个晶元的激发延迟时间,实现发射声束的自动偏转与聚焦;在反射信号处理过程中,对每个晶元接收到的反射信号进行时间延迟校准,然后进行叠加处理即可得到当前检测点的反射信号㊂检测过程中,通过对激发孔径和聚焦法则的设置,可以动态调整发射声束的偏转方向㊁聚焦深度和焦点大小㊂图2 超声相控阵检测原理F i g .2 P r i n c i p l e o f p h a s e da r r a y u l t r a s o n i c t e s t i n g相控阵探头接收到的原始信号以A 扫描的形式被记录,每一扫查点的入射波㊁缺陷波及底面波以幅值-时间(或厚度)曲线的形式显示㊂通过不同成像算法对A 扫信号进行处理,可得到超声S 扫与C 扫图像㊂超声相控阵检测视图如图3所示,对于线性聚焦扫查方式,超声S 扫描图像为横断面视图,由探头阵列方向的A 扫描信号处理后得到,能够提供缺陷深度信息及断面形状;超声C 扫描图像为平面视图,由扫查区域内所有A 扫信号处理后得到,包括幅值或深度两种不同的视图形式,能够提供缺陷平面形状及尺寸信息㊂图3 超声相控阵检测视图F i g.3 V i e w s o f p h a s e d a r r a y u l t r a s o n i c 超声相控阵检测系统如图4所示,主机为O m n i S c a n M X 2便携式超声相控阵探伤仪,相控阵探头选择线性阵列近壁探头(5L 64-NW 1),晶元数为64,晶元中心间距为1m m ,探头中心频率为5MH z ㊂为解决检测近表面盲区问题,使用高度为20m m 的有机玻璃楔块㊂在楔块与被检试样之间使用纯净水作为耦合剂,确保超声信号能够顺利经楔块射入试样,探头在扫查方向的行程位置通过E N C 1-2.5-D E 编码器获取㊂图4 超声相控阵检测实验装置F i g .4 E x p e r i m e n t a l s e t -u p o f p h a s e d a r r a y u l t r a s o n i c t e s t i n g相控阵探头聚焦法则选择线性聚焦方式,超声声束只聚焦不偏转㊂设置激活孔径为8,晶元步距为1,即每次通过软件控制激发8个晶元产生超声声束,然后从第1个晶元到第64个晶元依次移动激发㊂在不移动探头的情况下即可获取57(64-8+1)个扫查点,扫查宽度约为57m m ㊂采用单线扫查方式对试样进行检测,一次扫查可覆盖宽度为57m m ㊂因此,需要对试样进行3次单线扫查,每次扫查只检测同一埋深位置的分层缺陷㊂扫查方案如图5所示,单线扫查方151材料工程2021年2月向为试样长边方向,图中C F R P 板为分层缺陷试样实物㊂图5 扫查方案F i g.5 D e t a i l s o f s c a ns c h e m e 为准确获得缺陷深度信息,检测前需要对试样中的声速进行校准㊂试样厚度通过测量其4个边的中心位置厚度,然后取平均值得到㊂选择试样中无明显制造缺陷的位置进行声速校准,试样校准声速为2857.1m /s㊂2 实验结果与分析图6为单线扫查的结果图像,包含A 扫㊁S 扫和C扫视图,S 扫和C 扫图像均对A 扫信号幅值进行颜色编码,建立信号幅值与图像颜色的对应关系,信号幅值强度范围0%(白色)到100%(红色)㊂C 扫描成像结果与A 扫描图像中设定的闸门(G a t eA )范围和阈值紧密相关,当反射信号在闸门范围内且幅值大于设定阈值时,被识别为有效反射信号,因此需要准确设置闸门参数㊂检测前先对试样无缺陷区域进行扫查,分析其噪声信号幅值强度㊂扫查结果显示,试样噪声信号幅值均在15%以下㊂为保证成像效果,闸门阈值应稍高于噪声幅值,因此实验中设定闸门阈值为20%㊂图6 扫查结果视图 (a )A 扫;(b )S 扫;(c )C 扫F i g.6 V i e w s o f l i n e s c a n (a )A -s c a n ;(b )S -s c a n ;(c )C -s c a n 由于复合材料自身具有各向异性及多层界面特性,超声信号在其内部传播过程中衰减严重,深层反射信号较弱,导致深层缺陷检测尺寸偏小或出现漏检㊂而且试样中所预埋的聚酰亚胺缺陷声阻抗与复合材料相近,缺陷界面反射信号能力较弱,进一步减弱了深层反射信号强度㊂因此,在对分层缺陷试样进行超声相控阵检测时,使用时间校正增益技术增强反射信号[17],改善深层信号质量,提高检测精度㊂设定增益后,底部反射信号幅值与上表面反射信号幅值相同㊂2.1 C 扫描幅值图像分析图7为分层缺陷C 扫描幅值图像,可以看出,预埋的12个分层缺陷被全部检出,缺陷形状近似圆形,与预埋的圆形薄片基本一致,且缺陷圆形区域内颜色无明显差别,表明预埋薄膜未发生明显褶皱变形㊂图中分层缺陷与其他区域颜色差别较明显,图像颜色为红色或黄色,反射信号较强;其他区域图像颜色为蓝色,反射信号较弱㊂除缺陷外其他区域颜色均匀,试样无明显其他制备缺陷㊂图7(a )~(c)中同一埋深处分层缺陷图像颜色基本相同,反射信号强度相近㊂但仍然能够观察到随着缺陷直径的减小,缺陷颜色变浅,说明缺陷越小其反射信号能力越弱,越不容易被检测㊂图7(a ),251第49卷 第2期复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估图7 分层缺陷C 扫描幅值图像(a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m F i g .7 A m p l i t u d eC -s c a n i m a g e s o f d e l a m i n a t i o nd e f e c t s (a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m (b)中缺陷中心在同一水平位置,与铺层时预埋位置一致,制备过程中未发生偏移;而图7(c)中3m m 缺陷中心位置相比其他3个缺陷有明显下移,说明此缺陷在制备过程中发生了移位㊂对比不同埋深分层缺陷图像颜色可知,随着缺陷埋深的增大,缺陷图像颜色由红变黄,反映出随着缺陷埋深的增加其反射信号越来越弱㊂为对分层缺陷尺寸进行定量评估,使用-6d B 方法[18-19]对超声相控阵检测结果进行定量测量,此方法中分层缺陷边界为信号幅值下降到缺陷区域内最大幅值的50%时位置㊂使用O m n i P C4.4软件的数据分析功能,首先利用数据光标定位缺陷内最大幅值点,获取缺陷内最大幅值,然后根据-6d B 方法确定缺陷边界,实现缺陷长度与宽度的测量,分层缺陷长度与宽度检测误差分别如图8(a ),(b)㊂可明显看出,超声相控阵检测结果比缺陷实际尺寸稍微偏大,长度测量值误差均比宽度测量值误差大,宽度测量值更接近缺陷实际直径㊂图8 分层缺陷检测误差 (a )长度误差;(b)宽度误差F i g .8 T e s t e r r o r s o f d e l a m i n a t i o nd e f e c t s (a )l e n gt he r r o r ;(b )w i d t he r r o r 351材料工程2021年2月由于线阵超声相控阵探头只能沿阵元宽度(步进方向)聚焦,对选定超声探头,聚焦声束焦斑尺寸是由激活孔径㊁聚焦深度决定㊂为对上述误差原因进行准确分析,建立基于瑞利积分的固固界面多点源三维声场模型,使用MA T L A B 对平行于试样平面方向超声声场进行仿真[20]㊂仿真中楔块密度为1.18g /c m3,纵波声速为2730m /s ,聚焦深度为3m m ,激活孔径为8㊂图9为聚焦点位置处平面声场仿真结果,能够直观观察到超声声束在步进方向聚焦效果较好,扫查方向上焦斑尺寸较大大,使用-6d B 方法测量聚焦声场在扫查方向与步进方向尺寸分别为5.7,1.9m m㊂图9 聚焦点位置声场仿真图像F i g.9 S i m u l a t i o n r e s u l t o f s o u n d f i l e d a t f o c u s p o i n t 根据上述仿真结果,当声束沿扫查方向向缺陷移动时,聚焦点中心到达缺陷边缘前已经产生较强缺陷反射信号(信号幅值大于设定闸门阈值)㊂在图7中可以发现,随着探头在扫查方向移动,反射信号逐渐增强,导致图像颜色逐渐变深;同样在探头远离缺陷时也会发生部分声束反射现象,反射信号逐渐变弱,图像颜色逐渐变浅㊂相控阵超声聚焦声场的不对称导致缺陷检测尺寸的不对称结果,在步进方向聚焦焦斑尺寸更小,检测结果更接近真实值㊂聚焦声束焦斑扫查方向与步进方向尺寸差值为4m m ,而缺陷检测结果在两个方向的误差差值约2m m ,为焦斑尺寸差值的一半㊂因此,在实际工程应用中,应该以步进方向检测结果为准,为准确检测缺陷长宽尺寸可对缺陷进行两次方向垂直的扫查㊂为验证上述分析的正确性,调整扫查方向为试样短边方向(与原扫查方向垂直),对不同埋深的3m m 缺陷进行单线扫查㊂扫查结果如图10所示,调整后缺陷扫查方向尺寸依然大于步进方向尺寸,验证了上述分析的正确性㊂综上,超声相控阵C 扫描幅值图像能够直观呈现分层缺陷沿铺层方向的形状,对最小直径3m m缺陷图10 3m m 缺陷C 扫幅值图像F i g.10 A m p l i t u d eC -s c a n i m a g e o f 3m md e f e c t s 依然有很好的检测效果㊂在对分层缺陷进行定量评估时,特别是对于小尺寸缺陷,应对缺陷进行两次不同方向扫查并以步进方向检测结果为准,以提高定量评估准确性㊂2.2 C 扫描深度图像分析C 扫描深度图像是利用闸门内A 扫描原始数据,根据超声信号渡越时间t 及声速c p ,计算每一扫查点反射信号的深度信息d t (d t =(c p ˑt )2),并以颜色编码的方式成像,深度范围为0m m (红色)到3m m (蓝色)㊂图11为分层缺陷C 扫描深度图像,图中同一埋深处缺陷深度颜色基本相同,说明缺陷埋深相同,与缺陷预埋在同一铺层一致;对比不同埋深缺陷图像,浅层㊁中层㊁深层缺陷图像颜色分别为黄色㊁绿色㊁蓝色,图像颜色所代表缺陷埋深基本与预设埋深d s 一致㊂图11 分层缺陷C 扫描深度图像(a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m F i g .11 D e p t hC -s c a n i m a ge s of d e l a m i n a t i o nd e f e c t s (a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m 为对缺陷深度进行定量评估,选取图像中缺陷中心位置深度作为检测深度(d t ),表1为缺陷深度检测451第49卷 第2期复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估结果㊂中间层及底层缺陷埋深检测结果较准确,最大误差仅为0.04m m ;而浅层缺陷埋深检测结果误差相对较大,4处缺陷埋深误差均为0.11m m ㊂超声相控阵对分层缺陷深度检测精度较高,但对于近表层缺陷深度误差相对较大㊂表1 分层缺陷深度T a b l e 1 D e pt ho f t h e d e l a m i n a t i o nd e f e c t s d s /m m d t /m m ϕ12m m ϕ9m mϕ6m mϕ3m m0.430.540.540.540.541.501.541.521.501.502.342.362.342.332.312.3 S 扫描图像分析S 扫图像是基于信号渡越时间的试样断面深度图像,不同埋深分层缺陷中心位置S 扫描图像如图12所示,图中上表面波与底面波图像颜色为红色,表明信号在此处发生较强的界面(楔块-试样界面㊁试样-空气界面)反射,而缺陷图像颜色相比要浅很多,说明缺陷反射信号较弱;另外在缺陷下部均未发现明显声影,说明声波在遇到缺陷后大部分发生透射,与缺陷所用聚酰亚胺材质声阻抗特性一致㊂图中分层缺陷外其他位置能够明显观察到浅蓝色横向条纹,表明在铺层界面处发生了超声弱反射现象,说明超声相控阵技术具有很高的纵向分辨力㊂图12 分层缺陷S 扫描图像(a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m F i g .12 S -s c a n i m a ge s of t h e d e l a m i n a t i o nd e f e c t s (a )d s =0.43m m ;(b )d s =1.50m m ;(c )d s =2.34m m 551材料工程2021年2月S扫图像能够反映试样整个厚度区间的断面信息,更加直观地观察到不同埋深缺陷在试样厚度方向上的位置及缺陷断面形状㊂并且能够实现对试样厚度㊁缺陷深度及缺陷断面尺寸的定量检测(详见图中标注尺寸)㊂图像上缺陷断面形状为直线,说明缺陷未发生扭曲变形㊂缺陷中心位置断面尺寸与通过C扫描测量的宽度信息基本一致,缺陷形状为圆形相符㊂3结论(1)实验所制备的分层缺陷标准试样效果较好,缺陷实际形状㊁深度及尺寸置信度较高,能够实现对超声相控阵检测能力的评估㊂(2)仿真结果显示,相控阵超声聚焦声束的不对称导致了检测结果的不对称,步进方向尺寸误差较小,在工程应用中对缺陷定量分析时应以此方向结果为准㊂(3)定量测量结果表明,超声相控阵技术能够准确识别分层缺陷形状㊁尺寸及位置,对不同深度及尺寸的分层缺陷均具有很好的检测效果,尺寸检测结果误差<1m m,深度检测结果误差<0.1m m㊂(4)超声相控阵C扫图像能够呈现缺陷形状及大小,S扫描图像能够揭示缺陷位置及断面形状,结合C 扫描图像与S扫描图像,可实现对分层缺陷的可视化检测分析,是对分层缺陷进行定性分析与定量检测的有效手段㊂参考文献[1]邢丽英,包建文,礼嵩明,等.先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战[J].复合材料学报,2016,33(7):1327-1338.X I N GLY,B A OJ W,L IS M,e t a l.D e v e l o p m e n t s t a t u sa n d f a-c i n g c h a l l e n g eo fad v a n ce d p o l y m e r m a t r i xc o m p o s i t e s[J].A c t aM a t e r i a eC o m p o s i t a eS i n i c a,2016,33(7):1327-1338. 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武汉理工大学硕士学位论文复合材料层合板分层损伤数值模拟姓名：韩学群申请学位级别：硕士专业：复合材料学指导教师：王继辉20100501武汉理工大学硕士学位论文摘要随着复合材料的广泛应用，其破坏形式的研究日渐完善。

从细观损伤力学角度分析，复合材料层合板破坏分为面内破坏和层间破坏，如面内的纤维断裂，层间的分层、子层屈曲等。

统计资料表明，在各种损伤破坏中，分层失效约占６０％。

无论是单调静态还是疲劳荷载加载，分层的产生和扩展都会显著地降低复合材料结构的强度，甚至对结构造成灾难性的毁坏，从而带来严重的安全问题。

分层是复合材料最为严重的一种破坏形式。

所以研究复合材料层合板分层损伤演化过程具有重要意义。

复合材料层合板分层损伤的数值模拟，主要有两种建模方法：一种是基于损伤力学的模型；另一种是基于断裂力学的模型。

损伤力学模型在层间引进界面元。

分层界面的行为由界面处的张开位移与张力的关系控制。

应力．相对位移曲线围成的面积等于临界能量释放率。

由于微观裂纹和孔隙的扩展，能量发生耗散。

分层前缘处的网格精度要求比断裂力学模型的低，也不需要重新划分网格。

损伤力学模型建模方便，无需预先定义裂纹。

本文选用损伤力学模型建模，采用界面元模拟分层界面，壳单元模拟层合板。

为防止层合板的子层穿透，分层界面施加接触约束条件。

本文的主要研究目的是分析含初始分层损伤的层合板损伤在拉压荷载作用下的力学响应。

对于层合板受拉伸荷载作用的情况，本文考察了界面刚度、初始分层长度、非中面对称分层和分层界面铺层对层合板力学响应的影响。

分析结果表明，界面刚度对分层扩展的影响不大；初始分层长度只在分层扩展以前的加载阶段对层合板的力学性能有影响，而对分层扩展阶段影响甚微；对于非中面分层，本文提出了一个预测含非对称分层损伤的层合板的破坏强度的理论公式，理论预测值与有限元的计算结果吻合得较好。

对于层合板受压缩荷载作用的情况，考察了初始分层面积大小、不同铺层和非中面对称分层等因素对板中分层损伤的扩展和层合板力学性能的影响。