碳纖維復(fù)合材料的電磁渦流無損檢測技術(shù)研究.pdf

1、隨著碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天飛行器、汽車和風(fēng)力發(fā)電等多個工業(yè)領(lǐng)域的的大量應(yīng)用，針對這種新型材料的無損檢測方法的研究也日益受到人們的重視。本論文根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的在線檢測需求，深入研究用于碳纖維復(fù)合材料的電磁渦流檢測技術(shù)。碳纖維復(fù)合材料可導(dǎo)電，但電導(dǎo)率小，且表現(xiàn)為很強(qiáng)的電學(xué)各向異性。渦流檢測是一種高效無接觸的無損檢測技術(shù)，它是基于載流線圈與導(dǎo)電材料間的電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的，無接觸，不需耦合劑，自動化程度高。渦流法不受檢測對象形態(tài)的限制

2、，對復(fù)合材料預(yù)成型體和制成件中的損傷檢測均能適用，尤其可用于樹脂傳遞模塑成型和預(yù)浸料生產(chǎn)的質(zhì)量控制。
　　本論文在深入研究碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)特性和渦流通路的基礎(chǔ)上，首次利用簡化矢量磁位和棱邊元的方法開發(fā)了用于碳纖維復(fù)合材料的三維電磁場有限元仿真程序，并將其用于復(fù)合材料的渦流場和線圈信號計算。創(chuàng)造性地提出將中頻ECT技術(shù)用于碳纖維復(fù)合材料，開發(fā)出了一套CFRP的中頻渦流檢測系統(tǒng)。采用電磁線圈在CFRP中激勵出電渦流，利用高靈敏度的

3、鎖相放大器提取線圈傳感信號，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸料鋪層板和編織布復(fù)材板中纖維方向以及纖維錯位、裂紋、分層和沖擊等損傷的可視化和高精度成像。具體的內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下所示：
　?。?）系統(tǒng)地總結(jié)并推導(dǎo)了單向復(fù)合材料電導(dǎo)率張量矩陣的一般解和渦流流通路徑。利用阻抗測量的方法得到了單向復(fù)合材料試件沿纖維方向、垂直纖維方向和厚度方向的阻抗特性。根據(jù)阻抗測量的結(jié)果，并引入坐標(biāo)變換矩陣，推導(dǎo)出各向異性碳纖維復(fù)合材料電導(dǎo)率張量矩陣的一般形式，并通過分析得出電渦

4、流在復(fù)合材料中的流通路徑；
　　（2）基于麥克斯韋方程推導(dǎo)出碳纖維復(fù)合材料中渦流密度和渦流趨膚深度的解析解。研究了碳纖維復(fù)合材料和渦流線圈的等效阻抗電路特性，分析了電路中電阻和感抗隨頻率和耦合系數(shù)等的變化情況，從阻抗的角度說明了渦流檢測時頻率、提離以及損傷等因素對探頭信號的影響；
　?。?）根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)和電學(xué)各向異性，基于簡化矢量磁位Ar和棱邊元的方法，開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料的三維電磁場有限元仿真程序，并將其用

5、于復(fù)合材料中電渦流和線圈阻抗信號的計算。采用簡化矢量磁位Ar方法可有效處理渦流線圈的運(yùn)動問題，而基于棱邊元建模可輕松地解決復(fù)合材料層間電磁場量的連續(xù)性問題；
　　（4）通過仿真和實(shí)驗(yàn)的方法，研究鋪層順序和層間界面對渦流值和線圈阻抗的影響，并利用渦流流探頭對碳纖維層合板的體積電導(dǎo)率和纖維排列方向進(jìn)行測量和表征。利用絕對值型探頭信號可估計出碳纖維層合板的體積電導(dǎo)率大小。通過繪制發(fā)射-接收式旋轉(zhuǎn)探頭信號的極坐標(biāo)圖，可得出碳纖維層合板中纖

6、維的排布順序和方向；
　　（5）開發(fā)出了一套用于碳纖維復(fù)合材料的中頻渦流檢測系統(tǒng)，頻率達(dá)到250kHz，系統(tǒng)主要基于鎖相放大的微弱信號提取技術(shù)和渦流C掃描成像方法來工作。根據(jù)渦流探頭信號的頻率特性和對于損傷檢測的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)形式，最終選擇發(fā)射-接收式（T-R）探頭用于復(fù)合材料中損傷的檢測。利用T-R探頭對板中的纖維排布方式和損傷進(jìn)行掃描成像。通過實(shí)驗(yàn)和仿真得出了各種損傷的信號特征，并從掃描圖像分析得出損傷的位置和尺寸。結(jié)果表明通過合