張宏鵬，丁克勤，薛彬，陶芳澤，魏化中

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100029

復(fù)合材料氣瓶分層缺陷的紅外檢測(cè)數(shù)值模擬

張宏鵬1，丁克勤2*，薛彬1，陶芳澤2，魏化中1

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100029

針對(duì)復(fù)合材料氣瓶分層缺陷不易被檢測(cè)的問題，利用ANSYS有限元方法、紅外檢測(cè)技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料氣瓶分層缺陷進(jìn)行紅外模擬分析.研究了復(fù)合材料氣瓶分層缺陷不同直徑、深度、厚度對(duì)復(fù)合材料氣瓶表面熱像溫度差、熱像對(duì)比度的影響.結(jié)果表明，隨著缺陷直徑和缺陷厚度的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值也隨著增大，說明分層缺陷越容易被檢測(cè)出；隨著缺陷深度的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值與深度呈反比關(guān)系，說明分層缺陷深度越小時(shí)，缺陷越容易被檢測(cè)出.

復(fù)合材料氣瓶；分層缺陷；有限元；紅外檢測(cè)

1 引言

復(fù)合材料氣瓶由于其使用特點(diǎn)而長(zhǎng)期處于交變載荷作用之下，屬于全復(fù)合材料的疲勞高壓容器，疲勞損傷是影響氣瓶安全使用的重要原因之一［1-3］.復(fù)合材料氣瓶纏繞層的作用為承受氣瓶?jī)?nèi)壓，這對(duì)氣瓶在使用過程中的安全具有很大的影響.而復(fù)合材料氣瓶纏繞層內(nèi)的疲勞損傷主要為纏繞層分層.由于復(fù)合材料氣瓶疲勞斷裂過程在宏觀形貌上沒有明顯的變形，這就給疲勞損傷的發(fā)現(xiàn)帶來極大困難，因此必須采用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料氣瓶缺陷進(jìn)行檢測(cè).目前，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》中簡(jiǎn)要介紹了射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等9種承壓設(shè)備無損檢測(cè)方法.但這幾種無損檢測(cè)方法難以對(duì)復(fù)合材料氣瓶纏繞層的分層缺陷進(jìn)行檢測(cè).相對(duì)于其他無損檢測(cè)技術(shù)，紅外檢測(cè)技術(shù)具有快速、非接觸、無需耦合、大面積、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于復(fù)合材料氣瓶分層缺陷的檢測(cè).但由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)的研究大多集中應(yīng)用在對(duì)金屬材料氣瓶的檢測(cè)上，對(duì)復(fù)合材料氣瓶檢測(cè)的研究還不夠深入，這嚴(yán)重影響了紅外檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)可靠性分析上的推廣應(yīng)用.故將采用紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料氣瓶纏繞層分層缺陷進(jìn)行模擬分析，為纏繞層結(jié)構(gòu)可靠性分析提供依據(jù)［4-6］.

2 模型建立和模擬過程

2.1 模型建立

以內(nèi)膽材料為30CrMo合金，纏繞層材料為E玻璃纖維-環(huán)氧樹脂［7-9］的復(fù)合材料氣瓶作為研究對(duì)象，其纏繞層分層缺陷設(shè)置為嵌入缺陷片形式，缺陷片材料為聚四氟乙烯，缺陷形狀為圓柱形缺陷，紅外模擬環(huán)境溫度25℃［10-11］.因氣瓶模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用氣瓶模型的四分之一進(jìn)行建模，以提高計(jì)算效率.該復(fù)合材料氣瓶的幾何尺寸如表1所示，材料熱物性參數(shù)如表2所示［12］.

表1 復(fù)合材料氣瓶的幾何尺寸Tab.1Geometric dimensions of composite cylinder

表2 復(fù)合材料氣瓶材料的熱物理性質(zhì)Tab.2Thermophysical properties of composite cylinder materials

因復(fù)合材料氣瓶模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用氣瓶模型的四分之一進(jìn)行建模，如圖1所示.

圖11 /4復(fù)合材料氣瓶模型Fig.1Model of 1/4 composite cylinder

2.2 模擬過程

采用Full Newton Raphson（全牛頓-拉普森）方法進(jìn)行模擬求解.模擬工況在室溫下進(jìn)行，初始溫度和參考溫度設(shè)定為25℃.在加熱過程中時(shí)間步長(zhǎng)為0.002 s，加熱時(shí)間為0.1 s；冷卻過程中時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，冷卻時(shí)間為15 s.由于復(fù)合材料氣瓶模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故將模型軸對(duì)稱面邊界條件設(shè)置為絕熱，非軸對(duì)稱面與空氣接觸，按對(duì)流傳熱求解［13-15］.采用熱流密度為熱載荷，將恒定的熱流密度加載到檢測(cè)面，采用脈沖加熱方式，加熱強(qiáng)度為5.0×105W/m2.

設(shè)置好后，分別?。孩佼?dāng)缺陷厚度M、缺陷深度H不變時(shí)，缺陷直徑D變化；②當(dāng)缺陷直徑D、缺陷厚度M不變時(shí)，缺陷深度H變化；③當(dāng)缺陷直徑D、缺陷深度H不變時(shí)，缺陷厚度M變化3種工況進(jìn)行模擬.將分析結(jié)果保存到rth文件，并提取缺陷處和非缺陷處對(duì)應(yīng)表面節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行分析，對(duì)比不同工況下對(duì)熱像溫度差和熱像對(duì)比度的影響.

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 缺陷直徑對(duì)熱像溫度差和熱像對(duì)比度的影響

設(shè)定缺陷厚度M=0.2 mm，缺陷深度H= 0.6 mm，缺陷直徑D=2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm進(jìn)行模擬.模擬結(jié)果分析如圖2、圖3所示.

由圖2～圖3可知，隨著缺陷直徑D的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值也隨著增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值的出現(xiàn)時(shí)間有小幅度延遲.

3.2 缺陷深度對(duì)熱像溫度差和熱像對(duì)比度的影響

設(shè)定缺陷直徑D=3 mm，缺陷厚度M=0.2 mm，缺陷深度H=0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、1.0 mm、1.6 mm進(jìn)行模擬.模擬結(jié)果分析如圖4、圖5所示.由圖4～圖5可知，隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值越來越小.當(dāng)缺陷深度H越大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也越晚.

圖3 缺陷直徑不同時(shí)（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對(duì)比度峰值趨勢(shì)圖Fig.3Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect diameters

圖4 缺陷深度對(duì)（a）熱像溫度差和（b）熱像對(duì)比度的影響Fig.4Effects of defect depth on（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging

圖5 缺陷深度不同時(shí)（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對(duì)比度峰值趨勢(shì)圖Fig.5Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect depths

3.3 缺陷厚度對(duì)熱像溫度差和熱像對(duì)比度的影響

設(shè)定缺陷直徑D=3 mm，缺陷深度H=0.6 mm，缺陷厚度M=0.2 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm進(jìn)行模擬.模擬結(jié)果分析如圖6、圖7所示.

由圖6～圖7可知，隨著缺陷厚度M的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值也變大，但當(dāng)厚度M超過一定范圍后，溫度差峰值和對(duì)比度峰值逐漸趨于恒定值.

圖6 缺陷厚度對(duì)（a）熱像溫度差和（b）熱像對(duì)比度的影響Fig.6Effects of defect thickness on（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging

圖7 缺陷厚度不同時(shí)（a）熱像溫度差峰值和（b）熱像對(duì)比度峰值趨勢(shì)圖Fig.7Tendency chart of peak of（a）temperature difference and（b）contrast ratio of thermal imaging at different defect thicknesses

4 結(jié)語

筆者利用有限元方法對(duì)含分層缺陷的復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行紅外模擬分析.通過對(duì)不同缺陷直徑D、缺陷深度H、缺陷厚度M的分層缺陷紅外模擬分析，得出以下結(jié)論：

1）隨著缺陷直徑D的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值也隨著增大，這說明分層缺陷越容易被檢測(cè)出.當(dāng)缺陷直徑D增大到一定程度后，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值曲線趨于平緩.

2）隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值與深度H呈反比關(guān)系，這說明分層缺陷深度越小時(shí)，缺陷越容易被檢測(cè)出.并且隨著缺陷深度H的增大，熱像溫度差峰值點(diǎn)和熱像對(duì)比度峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間延遲，這說明當(dāng)缺陷深度H越大時(shí)，最佳檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，理論檢測(cè)靈敏度越低.

3）隨著缺陷厚度M的增大，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值越來越大，這說明分層缺陷厚度越大時(shí)，缺陷越容易被檢測(cè)出.隨著缺陷厚度M增大到一定程度后，熱像溫度差峰值和熱像對(duì)比度峰值曲線趨于平緩.

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本文編輯：陳小平

Numerical Simulation of Delamination Defect of Composite Cylinder by Infrared Detection

ZHANG Hongpeng1，DING Keqin2*，XUE Bin1，TAO Fangze2，WEI Huazhong1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China

Aiming at the problem that the delamination defect of a composite cylinder can not be detected easily，we carried out infrared simulation analysis of the composite cylinder delamination defect through the ANSYS finite element method and the infrared detection technology.The paper studies the effects of different diameters,depths and thicknesses of composite cylinder delamination defect on temperature difference and contrast ratio of thermal imaging on the surface of composite cylinder.The results show that the peaks of temperature difference and contrast ratio of thermal imaging increase with the increase of defect diameter and thickness,which means that the delamination defect can be more easily detected.The peak of temperature difference and contrast ratio of thermal imaging are inversely proportional to defect depth，which proves that the delamination defect is more easily detected at the smaller defect depth.

composite cylinder；delamination defect；finite element；infrared detection

TH49

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.013

1674-2869（2016）06-0583-05

2016-05-20

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2013YQ470767-07）

張宏鵬，碩士研究生.E-mail：379709901@qq.com

*通訊作者：丁克勤，博士，研究員.E-mail：Kqding@sina.com