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CFRP/Al蜂窝复合材料由表面碳纤维夹层和铝合金材质窝芯构成,这种结构除了可提高对裂纹扩展的耐受性外,叠层还具有刚度比高、可成形性强以及良好的抗疲劳性、可修复性、抗冲击强度、耐腐蚀性和耐火性等优点[1]。然而,由于蜂窝复合材料在其生产制造过程中受加工工艺和人为不可控因素影响,加之常工作于高速、高压等恶劣的环境下,很容易产生各种结构缺陷,如脱粘、积水、裂纹和塌陷等[2]。因此,使用可靠的无损检测技术是确保材料在制造和使用过程中的性能和结构安全不可或缺的方法。
主动红外热波成像检测技术作为一种新兴的无损检测技术,具有检测面积大、检测速度快、非接触、无污染和无需耦合等优点。其中,脉冲热波成像(Pulsed Thermography, PT)[3]和锁相热波成像(Lock-in thermography, LIT)[4]研究较早,应用最广泛。此外,脉冲相位热波成像(Pulse Phase Thermography, PPT)[5]利用类似于PT的激励热流,运用快速傅里叶变换提取相位特征,PPT是对PT技术的改进,在一定程度上降低了检测结果对激发能量的依赖性。尽管如此,PT依赖更高峰值的激励源,LIT检测效率低,PPT存在检测深度太浅的问题。基于以上不足,近年来该领域提出基于动态热波成像的多种检测技术,其在光热系统的时域和频域性能改善方面更为显著,以克服与传统主动热波成像技术相关的问题(或试图将LIT的高信噪比水平的优势与PT可获得关于被测结构大量信息的优势相结合)。其中,脉冲压缩技术的应用提高了动态热波成像模式的检测效率,典型的例子有线性调频热波成像(Linear Frequency Modulation Thermal Wave Imaging, LFMTWI)和数字调频热波成像(Digital Frequency Modulated Thermal Wave Imaging, DFMTWI)[6],DFMTWI通过将数字调频热波和频域光热辐射物理学相结合,可实现脉宽与频率相互独立以及扩展探测深度或深度分辨率动态范围。目前DFMTWI的实现方法主要是采取编码形式,最常见的编码类型为巴克编码[7]和格雷编码[8](Golay Coded),其中巴克编码激励可以提高脉冲压缩(PuC)后获得的热谱序列中的缺陷检测能力,PuCT激励方案可有效地抑制噪声,提高热对比度,从而提高缺陷的信噪比,为材料中更深层次的缺陷检测提供有益的帮助。
在热波信号处理上,快速傅里叶变换是在频域中过滤所需频率分量的最常用的工具之一,并且它可以通过使用合适频带的啁啾热波激励用于热波雷达成像(Thermal Wave Radar Imaging, TWRI)的深度分辨率异常检测[9]。然而,快速傅里叶变换只能在时域或频域处理热波雷达信号,此外,希尔伯特变换和基于线性调频的Z变换技术也用于提高TWRI和调频热波成像(Frequency Modulated Thermal Wave Imaging,FMTWI)的异常检测能力和深度分辨率[10]。但亚表面缺陷深度分辨率与外部激励的调制探测频率及其通过后处理的分析有关,不充分的频率分辨率将导致一些细节丢失。因此,在TWRI或FMTWI应用中,需要尝试新的热波信号分析技术来提高缺陷检测能力和深度分辨率。文中提出运用三维匹配滤波器(3-Dimensional Matched Filter, 3D-MF)针对巴克编码调制信号激励所得图像序列进行处理,以克服传统处理方法的局限性,比如低功率或不充分的频率分辨率导致一些细的节丢失等,从而提高缺陷检测能力和深度分辨率。
在文中研究中,巴克编码调制信号被用来检测同时含有脱粘和积水缺陷的CFRP/Al蜂窝板,提出运用3D-MF对所得图像序列进行处理,通过三维截面剖析温度分布和信噪比比较,定量分析了不同匹配滤波器的可检测性和可靠性。
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CFRP/Al蜂窝板由两层粘结剂将上下蒙皮与蜂窝芯粘接而成,其中蒙皮为厚度0.5 mm的碳纤维;蜂窝芯的网格边长为5 mm,整体厚度为3.8 mm的铝;粘接剂为厚度0.1 mm的环氧树脂。表1为各材料热物理参数。如图4所示,采用圆柱形孔模拟蜂窝板内部脱粘缺陷,其中#1~#3、#4~#6、#7~#9孔的深度分别为4.7 mm、4.5 mm和0.6 mm,分别模拟上蒙皮与窝心、窝心与环氧树脂及环氧树脂与下蒙皮的脱粘缺陷;#10~#13的3个孔直径为2 mm,深度为1 mm,作为注水孔,模拟积水缺陷。
Material Thermal conductivity/W·(m·K)−1 Density/kg·m−3 Specific heat capacity/J·(kg·K)−1 Aluminium 249.5 2769 877.87 Epoxy resin 0.251 2170 740 Carbon fiber 4.18 1550 793 Water 0.6 1000 4180 Table 1. Material thermophysical parameters
设置初始温度T0为293.15 K,传热系数h为10 W/(m2·K),采样频率20 Hz,加热时间30 s,热流功率为400 W/m2,定义温度差为:
式中:Q为表面吸收的能量,J;e为材料的热发射率,定义为
$e = \sqrt {k\rho c} $ ;$\alpha = k/\rho c$ ,α为材料热扩散系数,m3/s;ρ为材料密度,kg/m3;c为比热容,J/(kg·K);μ为截面厚度,mm。当μ=0时,此时
$\Delta T$ 表示上表面温度,即$\Delta {T_{{\rm{suf}}}}\left( t \right)$ 改写为下式:试件表面受到热激励后,热波向内部传输,只考虑一维的情况下,
$\Delta T$ 表面测量温差达到最大时刻时,如式所示:式中:d为缺陷深度,mm。
将最大时刻t代入至
$\Delta T$ 中,可获得最大温差$\Delta {T_{\max }}$ 与缺陷深度d之间的关系如下式所示:因此,深度值越大的缺陷其检测难度也越大。选出相应热通量Q,以及最大温差值
$\Delta {T_{\max }}$ ,即能够实现材料内部缺陷定量化的识别。