CFRTP-聚氨酯夹芯板内部缺陷的Lamb波检测方法研究

凌 毅,涂 君,袁 宁,吴 樵,宋小春

(1.湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉 430068;2.现代制造质量工程湖北省重点实验室,湖北武汉 430068;3.中车长江集团科技开发分公司工艺研究所,湖北武汉 430212)

0 引言

在航空和冷链运输等领域,连续纤维增强热塑性复合材料(continuous fiber reinforced thermoplastic composites,CFRTP)聚氨酯夹芯板因具有轻质保温和强度高的性能得到了广泛应用[1]。聚氨酯夹芯板由上下层CFRTP板材加中间发泡聚氨酯材料组成,经过高压发泡固化形成聚氨酯夹芯板。但实际发泡过程中由于固化不充分等会导致界面出现气孔缺陷,容易出现力学性能劣化,将大幅缩短其服役时间[2]。因此,采用有效的无损检测方法对CFRTP-聚氨酯夹芯板进行检查是非常有必要的[3-4]。

超声导波在复合板材损伤检测中具有较多的优势,如长距离传播能力[5]、敏感界面变化响应等[6]。彭博等[7]利用利用Lamb波实现了蜂窝夹层板的脱粘缺陷检测。水平剪切波在粘接质量检测方面具有较好的可行性[8-9]。然而CFRTP为非金属材料,电磁超声法无法在其内部激励出超声波。基于压电效应的超声波探头难以激励出水平剪切波,而在板中较易激励Lamb波。目前较多研究利用这一模式导波进行复合板脱粘缺陷的检测,多层结构频散曲线的研究表明[10-11],Lamb波通过脱粘区域与完好区域所需要的飞行时间有所差异,王兴国等[12]利用实验予以验证,最终实现了不同粘接界面质量的检测。B.Ghose等[13]试验建立了Lamb波在等厚度的钢-橡胶粘接结构中幅值、飞行时间与脱粘的关系,但并未对不同形状缺陷的传播影响作出详细阐述。

现有的研究对聚氨酯夹芯板这种低密度复合材料粘接质量检测少有报道。因此,本文利用COMSOL有限元仿真软件,构建CFRTP/聚氨酯复合板的Lamb波检测模型,实现了零阶非对称模态Lamb波的激励和传播过程可视化,研究了聚氨酯夹芯板内部缺陷对Lamb波的影响,为实现这一新型复合材料的缺陷检测提供了科学依据。

1 聚氨酯夹芯板三维检测模型

1.1 模型构建

利用COMSOL仿真软件建立聚氨酯夹芯板的Lamb波检测三维模型如图1所示。主要包括CFRTP板、聚氨酯板、压电晶片和斜楔。CFRTP板和聚氨酯板的长度均为160 mm,宽度均为14 mm,高度分别为1 mm和10 mm。所建立的直角坐标系原点位于CFRTP板的中心,X轴沿板长度方向,Y轴沿板宽度方向。压电晶片尺寸为4 mm(长度)×4 mm(宽度)×0.5 mm(厚度),其贴在斜楔上。斜楔的角度可变,从而使超声波以不同角度入射到CFRTP板。两者的设计主要是确保在入射角度为0°时,压电晶片的中心位于原点上方,并且此时的0°楔块厚度为1 mm。在模型右侧聚氨酯层靠近界面处设置一个气孔缺陷,其中心坐标为(28,0,-3),尺寸为5 mm(长度)×2 mm(宽度)×5 mm(深度)。

图1 CFRTP-聚氨酯夹芯板三维仿真模型

模型中的CFRTP薄板纤维铺层顺序为[0°/90°],超声波能量的传播会受到纤维铺层顺序的影响,通常铺层顺序对零阶对称模态影响较大,反对称模式影响极小[14],因此将被测薄板视为准各向同性,模型的材料参数如表1、表2所示。

表1 CFRTP的材料参数

表2 其余部分的材料参数

1.2 边界条件

对模型中的所有几何体和压电晶片分别添加了固体力学场和静电场,在晶片的上下两表面分别加载了接地和终端条件,终端输出为电压,并设置了压电效应这一多物理场耦合接口,将固体力学场与静电场两个物理场联系起来。在CFRTP板和聚氨酯板的4个侧面均添加了低反射边界,采用窄带脉冲串电压信号加载到压电晶片上,终端的激励信号时域表达式为

(1)

式中:f为激励频率,f=0.5 MHz;V0为初始电压幅值V0=20 V;n为脉冲周期数,n=5。

1.3 网格划分

通常在保证仿真结果正确性的前提下,应尽量简化网格尺寸,网格单元长度与超声波波长之间一般要满足式(2)关系[15]:

(2)

式中λmin为最小波长。

由于导波的频散特性,不同的频厚积和属性均会影响Lamb波的群速度和相速度。本文参考文献[10]中的频散曲线,按照0.5 MHz时的A0模态速度进行计算,由式(2)得到波长为10.4 mm,因此单元网格大小设置为1 mm,并设定瞬态求解的时间步长Δt=0.1 μs。网格类型为自由四面体,局部网格划分如图2所示。

图2 部分模型网格

2 聚氨酯夹芯板检测仿真分析

2.1 Lamb波的激励与传播

为了清晰地观察上述建立的CFRTP-聚氨酯夹芯板仿真模型中Lamb波的激励以及传播过程,将斜楔角度设为0°,并选取某一时刻的应力变形分布图。图3为t=11 μs时刻的应力图,可以看出,压电晶片在振动后,产生的应力波会向周围扩散。由于本模型沿±Y方向空间有限,并设置了低反射边界,因此该应力波主要是向±X方向传播。另外,应力波主要集中在上层CFRTP板中,在聚氨酯板内的应力波主要发生在压电晶片下方,随着应力波向两侧扩散,聚氨酯板内的应力波幅值非常低,这证明了聚氨酯材料的低声阻抗特点会使得界面处存在较大的反射。同时,应力波在这一时刻传播至缺陷处,聚氨酯板内形成了不连续应力分布,通过绘制辅助对比线,还能发现缺陷处的应力波幅值要比另一侧无缺陷处略高,这也进一步说明只有较少能量向聚氨酯层渗透,当遇到缺陷时,此部分能量会反射到CFRTP板中。

图3 t=11 μs时刻的应力分布图

接下来,在模型中设置一些接收信号采样点,包括接收点A(-60 mm,0 mm,0.5 mm),接收点B(-60 mm,0 mm,-0.5 mm)和接收点C(60 mm,0 mm,0.5 mm)。先观察点A处分别沿X、Y、Z方向的位移,作为接收信号幅值,结果如图4所示。可以发现,板内位移以X方向和Z方向为主,Y方向位移几乎为0,并且信号波形与在压电晶片上加载的激励信号一致,这证明了所激励出来的应力波为超声Lamb波。另外,通过对比点A与点B处的Z方向信号,两者幅值相等,方向相同,则这部分为非对称型Lamb波成分;进一步对比点A与点B处的X方向信号,两者幅值相等,方向相反,则这部分为对称型Lamb波成分。显然,非对称型Lamb波成分振幅为对称型Lamb波成分振幅的2倍。

图4 X、Y、Z方向位移分布

进一步,对比点A和点C的Z方向信号,结果如图5所示。显然,由于缺陷的存在,使得点C处接收的信号幅值要比点A处高约5%,证明聚氨酯板中的气孔缺陷确实会引起接收信号幅值增强。同时,传播时间也减少了0.1 μs,这主要是由于聚氨酯材料的声速较低,从而降低了超声波在复合材料中的传播速度。一旦遇到缺陷,则超声波仅在单层CFRTP板中传播,速度会加快。

图5 无缺陷和缺陷处的接收信号对比

2.2 入射角的选择

上述研究是在斜楔角度为0°情况下开展的,为了分析其他入射角时的激励与传播特性,在模型中分别设置压电晶片的倾斜角度为30°、45°和60°。所有情况下入射点都位于模型的中心,仍按照图3所示分别提取点C处的Z方向接收信号。为了更直观地看出接收信号随入射角的变化情况,直接获取信号的峰峰值进行比较,结果如图6所示。显然,当压电晶片入射角为0°时,接收信号的能量最大,其他角度下的信号幅值变化不大。因此,为确保对缺陷检测具有较高的分辨率,后续研究仍然采用0°入射方式产生Lamb波。

图6 不同入射角下的接收信号比较

2.3 不同大小缺陷的仿真试验

为了进一步研究不同大小缺陷的检测规律,在模型中将缺陷的长度、宽度和深度分别作为变量进行仿真计算。入射角为0°,所有仿真试验均提取点C处的接收信号进行对比。首先设置缺陷的宽度和深度均为5 mm,将缺陷长度分别设置为0、10、20、30 mm,结果如图7(a)所示。可以看出,随着缺陷长度的增长,接收信号幅值单调递增,并且峰值时间也不断缩短。然后保证缺陷长度10 mm不变,宽度为5 mm,深度按照2 mm步长从2 mm至8 mm变化。采用接收信号峰峰值比较,对比结果如图7(b)所示,显然,当深度达到4 mm以后,接收信号幅值基本不变。这说明CFRTP板中的Lamb波向聚氨酯层渗透的深度是有限的。最后,缺陷长度和深度分别设置为10 mm和5 mm,宽度按照2 mm步长从2 mm至8 mm变化。从图7(b)可以看出,接收信号会随缺陷宽度加大而不断增加。

(a)不同缺陷长度下的接收信号

3 试验验证

为了验证上述检测方法的有效性,搭建了如图8所示的实验平台。其中,待测聚氨酯夹芯板为实际生产的样板,表面为1 mm的CFRTP板,中间是经过发泡固化形成的聚氨酯。试验主要采用Ritec-5000脉冲发生器完成,在发射端串入RT-50阻抗匹配电阻,将中心频率为0.5 MHz的超声波探头(型号为OLYMPUS V101-RB)分别接入发生器的发射和接收通道,实验结果在DPO-3012示波器显示并保存,为保证检测结果的准确性,试验为多次重复完成。

图8 聚氨酯夹芯板检测实验平台

首先,对不同长度的缺陷(10、20、30 mm)分别进行检测试验,缺陷深度和宽度均为15 mm,所有试验中探头中心间距保持为100 mm不变,探头分别置于缺陷的两侧,记录下接收探头的信号幅值,试验结果如图9所示。可以看出随着缺陷长度的增大,Lamb波从CFRTP泄漏至聚氨酯泡沫的能量减少,从而接收信号的幅值不断增加。

图9 不同长度缺陷的实验信号

然后,保持长度和深度均为15 mm,制作不同宽度(10、15、20、25 mm)的缺陷,记录不同情况下接收信号的峰峰值进行比较,结果如图10(a)所示。可以看出,因缺陷宽度引起的幅值变化几乎呈线性增加,这是由于缺陷宽度变化直接改变了传播路径上的粘接面面积,使得Lamb波的泄漏能量随着宽度增加而减少。最后,保持长度和宽度均为15 mm,按照1 mm的间隔从1 mm至6 mm制作不同深度的缺陷,接收信号峰峰值对比结果如图10(b)所示。显然,缺陷深度在3 mm以内,接收信号幅值不断增长。当缺陷深度达到3 mm以后,幅值变化急剧减小,最后趋于平稳。这是因为缺陷深度的改变量若在波长范围内,缺陷对Lamb波的影响较为明显。一旦缺陷深度超过波长,Lamb波继续向下渗透能量较少,幅值变化就不再明显,试验的结果与前面仿真的结论是一致的。

(a)不同缺陷宽度下的接收信号

4 结论

本文使用同侧超声Lamb波检测技术对表面为CFRTP材料的聚氨酯夹层结构展开研究,该方法可较好地应用于多层结构界面附近气孔缺陷的检测。

(1)采用COMSOL有限元软件建立了基于压电效应的CFRTP-聚氨酯复合板多物理场耦合检测模型,实现了对超声波激励和传播过程的可视化;

(2)利用仿真模型计算结果,证明了用压电晶片在垂直激励下产生的是Lamb波,且非对称型Lamb波成分振幅要更高一些。

(3)利用仿真和试验相结合的方式,证明了聚氨酯夹芯板内部缺陷会引起Lamb波接收信号幅值和传播时间发生变化,以幅值变化较为明显。其中,缺陷长度和宽度越大,接收信号幅值越高;缺陷深度在波长范围内增加,信号幅值增强,超过波长范围,则幅值不再变化。