探討敲擊檢測技術(shù)在復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用

探討敲擊檢測技術(shù)在復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用張金波;王寶瑞【摘要】本文根據(jù)纖維增強復(fù)合材料的特性，列出了損傷的主要類型和產(chǎn)生原因；對適用于復(fù)合材料制品的無損檢測敲擊技術(shù)進行探討；對敲擊技術(shù)的基本原理、方法分類、適用范圍進行介紹；對傳統(tǒng)敲擊法和數(shù)字敲擊法進行比較；總結(jié)敲擊法的未來發(fā)展?fàn)顩r。%Thetypesandoccurringreasonsofdefectswerelistedaccordingtothecharacteristicsoffibrereinforcedcomposites.Theknockdetectioninthenon-destructivetestapplicapabletocompositeproductswerediscussedinthispaper.Thebasicprinciple,methodclassificationandapplicapablescopeofknocktechniqueswereintroduced.Thetraditionalknockandthedigitknockwerecompared.Thefuturedevelopmentoftheknocktechniquesweresummarized.【期刊名稱】《纖維復(fù)合材料》【年(卷)，期】2014(000)002【總頁數(shù)】3頁(P19-21)【關(guān)鍵詞】無損檢測;復(fù)合材料;缺陷;敲擊【作者】張金波王寶瑞【作者單位】哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036;哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036【正文語種】中文無損檢測是不影響被檢測對象性能的前提下，采用聲、光、電、熱、磁等非破壞技術(shù)對材料進行缺陷檢測的技術(shù)。其利用材料內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)異常引起的參數(shù)變化，對各材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷進行檢測，以及評定缺陷的類型、性質(zhì)、位置、尺寸等當(dāng)量，以確保結(jié)構(gòu)可靠性和安全性。無損檢測具有其它檢測手段無法比擬的非破壞性、全面性、全程性、互容性、動態(tài)性和嚴格性，但由于其非直觀檢測，亦具有一定的爭議性。復(fù)合材料無損探傷技術(shù)是基于金屬探傷技術(shù)發(fā)展而來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料作為新興材料，以其優(yōu)良的性能廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但其存在明顯的各項異性和非均質(zhì)性，其導(dǎo)電性差、導(dǎo)熱率低、聲衰減高，傳統(tǒng)技術(shù)已不能滿足其需要，所以對復(fù)合材料無損探傷技術(shù)的研究尤為重要。其中，敲擊技術(shù)作為一種便于攜帶、對環(huán)境要求較低的新型檢測手段被廣泛應(yīng)用于(如飛機制造)各領(lǐng)域［1］。復(fù)合材料在成型和使用過程中，不可避免地會存在缺陷和遭受損傷。缺陷的存在，直接影響制品的結(jié)構(gòu)和性能，降低設(shè)計壽命［2］。由于復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生缺陷的原因較多，所以缺陷往往是多類型并存。常見的缺陷和損傷形式主要有(圖1):表面損傷表面損傷是指復(fù)合材料表層或樹脂涂層的割傷、凹槽、劃痕、凹點、凸點等，一般情況下不會穿透表面。其產(chǎn)生的原因主要包括：外力損傷、疲勞損傷、濕熱和老化等。分層分層是指兩層或兩層以上的材料層片間的分離。其產(chǎn)生的原因主要包括：復(fù)合材料構(gòu)件受到?jīng)_擊、鉆孔、緊固件損傷、增強材料未經(jīng)處理、基體與纖維間熱膨脹系數(shù)不匹配或儲存時間過長、樹脂含量過低等。另外，制造過程中不小心帶入的異物也會引起復(fù)合材料的分層。⑶脫粘脫粘是指膠接面分離。其產(chǎn)生的原因主要包括：二次成型界面粘接強度偏低、預(yù)緊力不足、膠粘劑與膠接材料不匹配和固化不良等。⑷氣孔氣孔含量是指內(nèi)部包含的微型密集空隙(通常顯球狀，直徑5~20um)的含量，存在于纖維的絲間、束間和層間。氣孔的存在對結(jié)構(gòu)層間性能影響較大。其產(chǎn)生的原因主要包括：樹脂浸潤性差，貧、富膠，成型工藝不合理，樹脂反應(yīng)揮發(fā)物存在和抽真空不當(dāng)?shù)?。⑸夾雜夾雜是指結(jié)構(gòu)中存在的異物，其產(chǎn)生的原因主要包括：樹脂中存在小凝塊、預(yù)浸料本身存在雜質(zhì)、成型車間環(huán)境潔凈度不滿足要求，環(huán)境中的夾雜混入鋪層中以及人為操作失誤。(6)裂紋裂紋是指鋪層內(nèi)的細微開裂及延展。裂紋的存在會導(dǎo)致局部剛度衰減。其產(chǎn)生的原因主要包括：樹脂與纖維間的線脹系數(shù)相差較大、固化工藝不當(dāng)、夕卜力損傷、疲勞損傷和基體老化等。缺陷成因一般分為3個階段，即原材料、成型和使用。纖維作為增強體，一般被直接使用或制成預(yù)浸料。纖維表面質(zhì)量和浸潤性差，預(yù)浸料含膠量不均勻、褶皺、纖維屈曲將導(dǎo)致制品貧膠或富膠、脫粘、分層和疏松。成型階段產(chǎn)生缺陷是因為工藝不穩(wěn)定和人為因素。人員誤操作會引進夾雜，纖維屈曲分層，脫模劑混入分層；固化不良會產(chǎn)生氣孔、疏松、貧膠、富膠、分層和裝配面脫粘；本體與模具材料膨脹系數(shù)不匹配，會導(dǎo)致裂紋和表層分層；纏繞張力不足和機加工損傷會導(dǎo)致疏松和分層；模壓工藝易產(chǎn)生較多氣孔、疏松等，工藝狀態(tài)和工藝穩(wěn)定性不良都會導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，使制品質(zhì)量離散較大。使用階段由于環(huán)境和外力的作用，復(fù)合材料極易產(chǎn)生缺陷，疲勞、老化、撞擊、吸濕、熱效應(yīng)和超載等因素會導(dǎo)致表層損傷、裂紋、分層、膠接面脫粘和疏松等缺陷。敲擊檢測是一種最古老的，且又是最普遍、易于實施、成本最為低廉的無損檢測方法之一。傳統(tǒng)的敲擊檢測法是對零部件進行粗略的檢測，利用硬幣、棒和小錘等物敲擊物件表面，仔細辨聽聲音差異來查找缺陷。其主要原理是：當(dāng)物件中存在較大缺陷時，人耳所聽到的由敲擊產(chǎn)生的聲音會比較沉悶，否則聲音清脆［3］。敲擊的過程就是在被檢件中激勵產(chǎn)生機械振動的過程，通過聲音以及敲擊手感獲得信息，檢測人員憑借積累的經(jīng)驗對信息進行分析，從而得到判定結(jié)果。其優(yōu)點是方便、快捷、易于實現(xiàn)且成本低廉。缺點是嚴重依賴于操作人員的敲擊方法和主觀判斷，復(fù)檢兩次或兩次以上敲擊，聲調(diào)辨析和沖擊力控制存在不一致性，易造成誤判和漏判，而且識別結(jié)果不利于保存，無法滿足信息化和現(xiàn)代工程管理的需要。復(fù)合材料數(shù)字敲擊檢測的顯著特點就是將傳統(tǒng)的敲擊檢測與新興的聲振檢測結(jié)合起來聲振檢測是利用低頻脈沖檢測復(fù)合材料引起諧振頻率、相位、幅度等固有性能的變化。數(shù)字敲擊檢測是利用加速傳感器采集來自前端設(shè)備（電子敲擊錘）的敲擊振動信號，再通過相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對信號進行處理，結(jié)果進一步的辨識、對比和歸類，最終對結(jié)構(gòu)作出判斷的技術(shù)，數(shù)字敲擊檢測系統(tǒng)框圖見圖2。數(shù)字敲擊檢測復(fù)合材料損傷時，由于損傷區(qū)分層、脫粘等損傷的存在，其固有剛性特征隨之發(fā)生變化，固有振動頻率（周期）隨之變化，導(dǎo)致了損傷區(qū)有效接觸剛度減小，周期變大，從而引起有損傷區(qū)的撞擊時域曲線不同于無損傷區(qū)的時域曲線。通過比較兩者的時域曲線或相應(yīng)的頻譜，就可以檢測出損傷。數(shù)字敲擊檢測根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的差異，主要分數(shù)字整體敲擊檢測和數(shù)字局部敲擊檢測［4］。3.2.1整體數(shù)字敲擊檢測從實施方法而言，整體數(shù)字敲擊可分為單點激振單點測量和多點激振多點測量。其中，多點激振多點測量廣泛用于復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、板件和膠接結(jié)構(gòu)的檢測。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)檢測，由于自然頻率測量方法簡單且能明顯反映損傷對其的影響，通常選定一組含義明確的振動模態(tài)，測定自然頻率，然后在對模式進行測量和分類［5］。該方法受環(huán)境溫度、振動、夾具、安裝等因素的影響較大，導(dǎo)致對小損傷靈敏度降低。復(fù)合材料板件和膠接結(jié)構(gòu)檢測，多采用多點激振多點測量半功率點帶寬法和自由振動衰減法，在使用兩種方法前必須測定結(jié)構(gòu)的振型，以便得到正確的激振和拾振。3.2.2局部數(shù)字敲擊檢測從原理上說，對結(jié)構(gòu)表面進行局部的逐點敲擊，通過局部剛度的變化判斷缺陷的存在。當(dāng)一個結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時，它發(fā)出的聲音主要是結(jié)構(gòu)的主模態(tài)的振動頻率形成的，這些頻率是結(jié)構(gòu)本身所固有的。所以，如果對同一結(jié)構(gòu)相鄰的兩點進行敲擊，其顯示的聲學(xué)特征是相似的。如果不同，一定是因為輸入的沖擊力不同，而沖擊力不同則是有局部剛度變化造成的。氣孔、脫粘、分層形態(tài)的確定，應(yīng)以從不連續(xù)的中心沿向外的方向輻射圖型敲擊，直至采集到變化，以此來評估。另外，敲擊檢測不適用于第2層或第2層以上膠縫脫粘檢測。數(shù)字敲擊檢測避免了傳統(tǒng)敲擊技術(shù)人為主觀制約因素，更加客觀、便捷，檢測結(jié)果也更為準確。敲擊檢測通過測量制品振動的特征，可用于蜂窩狀結(jié)構(gòu)檢測、復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)檢測、膠接強度等的檢測，可檢測分層、氣孔、夾雜、脫粘和裂紋等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要缺陷，但對于小缺陷靈敏度低。⑶敲擊檢測可以有效的評估部件的類型、損傷的類型、損傷所影響的范圍、損傷的程度。⑷敲擊檢測設(shè)備便攜，操作方便，自動化程度高，快速精確，檢測結(jié)果客觀，不受周圍環(huán)境的影響，適用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測及實驗室深入分析。(5)敲擊檢測作為復(fù)合材料無損檢測的必要技術(shù)之一，可作為X射線和超聲技術(shù)的有效輔助手段。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，對結(jié)構(gòu)的無損檢測已成為提高工業(yè)水平，實現(xiàn)質(zhì)量控制，保證結(jié)構(gòu)安全使用必不可少的重要手段。本文介紹了具有檢測精度高、不受環(huán)境干擾、操作簡便、智能化程度高等優(yōu)點，能夠方便地用于生產(chǎn)現(xiàn)場快速原位智能檢測，并具有網(wǎng)絡(luò)化遠程檢測和診斷能力的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敲擊檢測系統(tǒng)?！鞠嚓P(guān)文獻】［1］馮康軍，李艷軍.小波分析在飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)智能敲擊檢測中的應(yīng)用研究［J］.飛機設(shè)計，2010(10):20-21