文摘

针对碳纤维增强复合材料的表面缺陷检测,微分和直接测量脉冲涡流探伤的有限元仿真模型建立。微分脉冲涡流检测的原理进行了分析和缺陷检测的敏感性比较通过两种类型的测量。仿真结果证明了实验的有效性。仿真和实验结果表明,脉冲涡流检测方法基于矩形差动探测可以有效改善表面缺陷检测的敏感性碳纤维增强复合材料。

1。介绍

近年来,人们越来越感兴趣的使用复合材料,尤其是碳纤维增强塑料(CFRP)在航空航天和可再生能源行业,由于低体重和改善力学性能与金属。碳纤维增强塑料制成的组件,如风力涡轮叶片和飞机机身,必须在职期间制造后检测质量评价和监控操作增加组件生命周期。为此,使用无损检测和评估(取决于)技术(1]。

Stoessel和洞穴等人使用超声检测方法检测碳纤维增强塑料;它可以清楚地识别缺陷。然而,这种方法受到许多缺点,包括所需的需要耦合剂引入声波和缺乏敏感性浅表面断裂缺陷(1,2]。程,田等人应用脉冲涡流热成像方法来测试碳纤维增强塑料的缺陷;表面的缺陷已确定通过对比温度和热成像技术的差距。2 J和4的缺陷的影响不能被检测到,热影响区域的6 J和8集中,热影响区域的10 J和12是像一个圆环3,4]。然而,脉冲涡流热成像实验设备非常昂贵的高成本和糟糕的开放。所以现在只有在实验室使用。他et al。(2014)也使用扫描脉冲涡流技术来描述不同类型的缺陷在碳纤维增强塑料层压制品。结果表明,低能量的影响从4 J - 12之间的关系可以有效地检测并冲击能量和磁场强度的峰值是非线性5]。杂志型图书等人提出了一个方法来重建涡流分布在碳纤维增强塑料和高频涡流传感器检测碳纤维增强塑料了。扶轮探测器能够探测结果表明,纤维取向,纤维分数波动,树脂丰富的区域,分层,影响损害(6]。舒尔茨等人绝对一半传输各向异性探针应用于无损检测的基于多频涡流设备碳纤维增强塑料。结果表明,碳纤维原料的大多数缺陷(RCF)或碳纤维增强塑料可以检测到7]。小山等人提出了一个名为θ的涡流检测探头可以检测碳纤维增强塑料产生的能量损失的影响0.25 J高信噪比(8]。殷等人三个多频涡流传感器用于碳纤维增强塑料的特点。三个传感器被设计为体积电导率测量,方向特性和故障检测。结果表明,碳纤维增强塑料的电导率各向异性;阻抗在受灾地区的极图,没有受损区域是不同的(9,10]。Angani等人研究了圆柱线圈的磁场分布轴数字涡流检测系统的发展。的信号表明,圆柱线圈中心轴的顶部可以视为励磁磁场;涡流信号的组件可以提高通过顶部和底部的减法检测信号(11]。张等人相比,缺陷检测的影响铝齿轮磁盘使用绝对圆柱探针和微分圆柱探针。结果表明,微分探针的缺陷检测效果更好(12]。文献[5- - - - - -12)主要描述圆柱探针领域的的应用取决于。

Theodoulidis和Kriezis计算矩形测试线圈的阻抗。他们发现当矩形传感器放置水平,涡流的分布越来越密集的两侧的线圈发射效应的影响变得越来越小,这是有用的小缺陷的检测(13]。Itaya等人研究了圆柱探针检测缺陷的影响,正方形和长方形探针通过比较曲线之间的符合率的理论推导和缺陷点的分布。他发现矩形探针在检测有独特的优势缺陷和矩形角位置探测器相对方向的缺陷对检测缺陷的影响有较大的影响(14]。他等人应用矩形脉冲涡流传感器识别表面缺陷和内部缺陷。他们发现,当传感器在不同位置对缺陷,一波又一波的峰值响应信号提出了相同的形状的方向磁感应通量,而他们呈现不同的形状在励磁电流的方向,提高了缺陷分类的性能(15]。

从以前的文献,这显然是发现矩形探针的性质完全可以用来测试碳纤维增强塑料的导电率是因为它属于各向异性材料。在作者的实验室,周等人利用矩形脉冲涡流传感器研究碳纤维增强塑料的导电率和检测碳纤维增强塑料的缺陷。结果表明,矩形脉冲涡流探头可以有效地识别缺陷在某些方向(16]。他们也(2014)利用矩形脉冲涡流探头检测碳纤维增强塑料的表面缺陷。结果表明,矩形探针能有效地识别不同宽度和深度的裂纹缺陷和切口深度或宽度的增加,缺陷微分信号的峰值增加(17]。然而,脉冲涡流矩形差动测试探针应用于碳纤维增强塑料的检测不是很常见。本文的主要目的是应用该方法检测缺陷的碳纤维增强塑料。

剩下的纸是组织如下。首先,矩形线圈放置的方向是由模拟。其次,微分脉冲涡流检测原理分析了有限元模拟和微分脉冲涡流模型的敏感性而直接测量。第三,通过实验验证了仿真结果的准确性。最后,进行缺陷识别的研究。

2。仿真模型的建立和分析

2.1。仿真模型的建立

本文建立了一个三维涡流检测矩形探测器模型利用Comsol多重物理量4.4。为了比较差和直接测量的缺陷检测灵敏度检测、微分检测模型和直接测量模型,分别。图1显示了微分涡流检测探头的结构。两个模型之间的差异是切口的位置。切口的位置在碳纤维内部板直接测量模型的中心。模型参数设置如下:几何尺寸的碳纤维增强复合材料样品100 mm×50毫米×5毫米,分别雕刻切口的宽度(2毫米)与不同深度(1毫米,2毫米,3毫米和4毫米)和深度(2毫米)与不同的宽度(1毫米,2毫米,3毫米和4毫米)的样本。由于碳纤维增强复合材料的电导率各向异性,所以纵向电导设置为10⁴S / m,横向导电率设置为10²S / m,横向导电率设置为10²S / m (18]。长度、宽度和高度的矩形激励线圈,分别是50岁,45岁和45毫米19)、方波频率设置为100 Hz,漆包线直径设置为0.3毫米,和线圈的匝数设置为1000。

2.2。仿真分析

2.2.1。选择矩形探针放置的方向

因为碳纤维增强复合材料是各向异性材料,每一层的导电率是不同的。的导电性纤维方向是最大的,每一层的纤维方向是不一样的。改变线圈的位置的方向会导致涡流流不同的纤维层。因此,测试线圈放置在不同的角度有很大的影响对碳纤维的缺陷检测的影响。所以选择一个合适的方向尤为重要。

因为切口的方向- - - - - -方向,纵向和横向位置都将被认为是,如图2。分别计算两个模型。结果如图所示3。涡流密度的最大值在碳纤维增强复合材料板,分别是73.7 /米²55.7 /米²。显然,最大值纵向位置下的涡流密度更大。因此,测试探头的方向将被认为是在纵向方向。

2.2.2。微分涡流的原则

图4显示了微分涡流检测探头的结构,距离,B是30毫米,和两个点的分布是对称的。点不存在切口时,模型和磁通密度的计算组件提取。结果如图5。它可以很容易地看到的磁通密度曲线组件两点之间是一个巧合。图6显示了磁感应线的分布- - - - - -下横截面矩形线圈纵向放置。这表明,磁感应线的分布是对称中心。当一个点存在切口,模型也和磁通密度的计算组件提取。的磁通密度组件的两个点,如图中减去7。结合上述分析,图的曲线7代表扰动引起的涡流缺陷。

2.2.3。缺陷检测灵敏度的分析微分探针

为了分析差动探测的缺陷检测灵敏度,缺陷检测灵敏度比较下模拟两个微分和直接测量的测量方法。

在直接检测模型,图8显示了直接测量涡流检测探头的结构。切口位于底部的线圈的中心;磁场信号抽取点位于底部的线圈的中心。缺陷进行模拟的两种方法和磁通密度下每一个切口提取。检测结果如图所示9。

在微分检测模型中,信号处理根据前一节中介绍了微分涡流检测原理。它主要包括减法的两个点的磁通密度和提取信号的峰值的涡流扰动引起的缺陷。在直接测量检测模型中,信号处理的方法是缺陷的信号减去无缺陷的信号,提取微分信号的峰值。信号处理方法的细节在20.]。信号处理结果如图9。这表明微分检测模式下的缺陷检测灵敏度高于直接测量模式。

3所示。试验研究

3.1。实验设备

实验装置主要由脉冲信号发生器模块、矩形探针与霍尔传感器、功率放大模块、信号调理电路、数据采集模块和标本。脉冲信号生成的模块使用YUANLONG VD1641函数发生器,具有一个可选任意波形生成能力。霍尔传感器使用SS95A226的类型。微分涡流检测探头是由矩形线圈和两个霍尔传感器。两个霍尔传感器之间的距离为30毫米,如图4。的涡流检测探头直接测量由矩形线圈和一个霍尔传感器,如图8。功率放大器模块LPA05B,所开发的牛顿Newtons4th科技有限公司信号调节电路主要包括滤波电路和信号放大电路。放大电路选择仪器放大器INA111模拟设备公司生产的芯片为核心。数据采集卡叫DAQ2010用作实验数据采集模块和数据收集到相应的数据收集在Matlab工具箱。测试标本主要包括两种碳纤维增强复合材料板刻有不同的深度和宽度,如图10 ()和10 (b)。测试试样的厚度是5毫米。每个纤维层的厚度大约是0.25毫米。完全有20个碳纤维层。每一层的纤维方向是+ 90度或−90度。它是通过抑制高温。实验装置如图10 (c)。

3.2。切口深度实验

当缺陷被发现通过使用直接测量涡流探头,霍尔传感器被上面的缺陷。切口的不同深度检测的两种涡流检测探头和检测信号提取。采集信号由数字信号处理器平滑,平均周期,减去,等等。信号处理方法的细节在20.]。信号处理结果如图11。

当缺陷被发现通过使用微分涡流探头,一个霍尔传感器放置在碳纤维增强复合材料板没有缺陷;上面放置其他缺陷。收到两个霍尔传感器的输出通过正面和负面的输入端口的放大器,它实现了放大的磁场的区别。信号处理方法的细节在20.]。信号处理结果如图11。

结果表明,缺陷检测灵敏度下微分涡流检测探头高于直接测量,与仿真结果是一致的。

针对碳纤维增强复合镀层表面缺陷的不同深度,仿真和实验结果表明,该微分脉冲涡流检测探头具有良好的敏感性深度的缺陷检测。

3.3。切口宽度实验

宽度检测类似于深度的方法。不同切口的宽度检测通过使用两种类型的涡流检测探头和检测信号中提取。采集信号由数字信号处理器平滑,平均周期,减去,等等。信号处理方法的细节在20.]。信号处理结果如图12。结果表明,缺陷检测灵敏度通过使用微分涡流检测探头高于直接测量,与仿真结果是一致的。

针对碳纤维增强复合材料板表面缺陷的不同深度,仿真和实验结果表明,该微分脉冲涡流检测探头具有良好的敏感性缺陷检测的宽度。

4所示。结论

针对检测碳纤维增强复合材料,微分和直接测量的脉冲涡流探伤建立了有限元仿真模型。结合仿真和实验结果,可以得出如下结论。(1)碳纤维增强复合材料的表面裂纹缺陷,矩形的感生涡流密度探测器纵向放置更大。纤维方向大约是纵向的。所以矩形测试探针放置纵向的方向。(2)微分信号的峰值增加的增强切口的深度和宽度。(3)针对碳纤维增强复合材料的表面裂纹缺陷,矩形差动脉冲涡流检测探头具有良好的表面缺陷检测灵敏度。

根据矩形差动探测的研究成果,碳纤维增强复合材料的无损检测取得了进一步发展。在未来的工作中,进一步的调查对自然裂缝将在未来。此外,地下分层等缺陷影响损失而不是表面缺陷(级)将和分层大小和位置之间的关系进行调查。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢中国自然科学基金会(通过国家自然科学基金委批准号51107053)和中国博士后科学基金会(没有。2012 m520994)资助这个项目。