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碳纤维复合材料的电磁涡流无损检测技术研究

程军  
【摘要】:随着碳纤维增强复合材料在航空航天飞行器、汽车和风力发电等多个工业领域的的大量应用,针对这种新型材料的无损检测方法的研究也日益受到人们的重视。本论文根据碳纤维复合材料的在线检测需求,深入研究用于碳纤维复合材料的电磁涡流检测技术。碳纤维复合材料可导电,但电导率小,且表现为很强的电学各向异性。涡流检测是一种高效无接触的无损检测技术,它是基于载流线圈与导电材料间的电磁感应原理实现的,无接触,不需耦合剂,自动化程度高。涡流法不受检测对象形态的限制,对复合材料预成型体和制成件中的损伤检测均能适用,尤其可用于树脂传递模塑成型和预浸料生产的质量控制。本论文在深入研究碳纤维复合材料的电学特性和涡流通路的基础上,首次利用简化矢量磁位和棱边元的方法开发了用于碳纤维复合材料的三维电磁场有限元仿真程序,并将其用于复合材料的涡流场和线圈信号计算。创造性地提出将中频ECT技术用于碳纤维复合材料,开发出了一套CFRP的中频涡流检测系统。采用电磁线圈在CFRP中激励出电涡流,利用高灵敏度的锁相放大器提取线圈传感信号,实现了预浸料铺层板和编织布复材板中纤维方向以及纤维错位、裂纹、分层和冲击等损伤的可视化和高精度成像。具体的内容和创新点如下所示:(1)系统地总结并推导了单向复合材料电导率张量矩阵的一般解和涡流流通路径。利用阻抗测量的方法得到了单向复合材料试件沿纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向的阻抗特性。根据阻抗测量的结果,并引入坐标变换矩阵,推导出各向异性碳纤维复合材料电导率张量矩阵的一般形式,并通过分析得出电涡流在复合材料中的流通路径;(2)基于麦克斯韦方程推导出碳纤维复合材料中涡流密度和涡流趋肤深度的解析解。研究了碳纤维复合材料和涡流线圈的等效阻抗电路特性,分析了电路中电阻和感抗随频率和耦合系数等的变化情况,从阻抗的角度说明了涡流检测时频率、提离以及损伤等因素对探头信号的影响;(3)根据碳纤维复合材料的层合结构和电学各向异性,基于简化矢量磁位A_r和棱边元的方法,开发了碳纤维复合材料的三维电磁场有限元仿真程序,并将其用于复合材料中电涡流和线圈阻抗信号的计算。采用简化矢量磁位A_r方法可有效处理涡流线圈的运动问题,而基于棱边元建模可轻松地解决复合材料层间电磁场量的连续性问题;(4)通过仿真和实验的方法,研究铺层顺序和层间界面对涡流值和线圈阻抗的影响,并利用涡流流探头对碳纤维层合板的体积电导率和纤维排列方向进行测量和表征。利用绝对值型探头信号可估计出碳纤维层合板的体积电导率大小。通过绘制发射-接收式旋转探头信号的极坐标图,可得出碳纤维层合板中纤维的排布顺序和方向;(5)开发出了一套用于碳纤维复合材料的中频涡流检测系统,频率达到250kHz,系统主要基于锁相放大的微弱信号提取技术和涡流C扫描成像方法来工作。根据涡流探头信号的频率特性和对于损伤检测的点扩展函数形式,最终选择发射-接收式(T-R)探头用于复合材料中损伤的检测。利用T-R探头对板中的纤维排布方式和损伤进行扫描成像。通过实验和仿真得出了各种损伤的信号特征,并从扫描图像分析得出损伤的位置和尺寸。结果表明通过合理选择涡流探头,提高锁相放大器的分辨率和增益,结合先进的信号处理方法,可实现在较低频率下对CFRP的高精度ECT检测和成像。


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