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用振动红外热像法检测层合结构脱层的初步研究

许卫锴  
【摘要】: 本文在结合国外大量试验的基础上,详细地讨论了利用振动红外热像方法对层合梁(板)脱层进行无损检测的可行性及基本原理,并对其特点进行了初步的研究。 脱层是层合材料最常见的破坏形式之一。由于脱层的存在,必然对层合材料的受力性能和动力特性产生一定的影响。因此,研究脱层对层合材料构件固有频率的影响,将对构件的无损检测提供必要的依据。本文首先详细分析了层合梁的脱层现象对其振动频率的影响,通过对脱层梁进行分区处理,得到了脱层梁自振频率变化的规律。计算与分析结果表明,脱层使得层合梁的固有频率降低,且对低阶的频率影响较大;短脱层对梁的固有频率并没有明显的影响。这些结果对于发展以振动红外热像方法为基础的无损检测技术具有一定的参考意义。 本文所研究的振动红外热像法是上世纪八十年代以来出现的一种无损检测方法,与其它传统的检测方法(如超声波法、射线照相法、声发射法等)相比,具有快速、安全、无损和可对整体结构进行全场检测的优点。其原理是具有脱层的层合材料构件(梁或板)包含脱层区域及未脱层区域,脱层区域分为上下两部分,若对层合材料构件施加小振幅、高频率的振动激励,当激励频率恰好接近其中一部分的固有频率时,该部分就会产生共振响应,部分机械能将转化为热能,使脱层区域的温度远高于未脱层区域,借助红外热像仪即可显示出脱层的位置。本文在前人研究的基础上,对此方法进行了进一步的探讨,主要做了以下的工作: (1)选取合理的、能够准确反映由共振而产生热量的行为的局部响应模型,以及合理的振动热模式,推导了一维层合梁小脱层区域的振动响应及梁的温度分布,并编制程序计算了该层合梁在激励一段时间后的温度分布趋势,分析了激励频率对温度梯度形成的影响,得到了一些有意义的结论; (2)对于二维层合板,由于解析解的形式异常复杂,本文采用有限元计算软件对其温度分布进行了分析,也得到了较为满意的结果。


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