探讨敲击检测技术在复合材料无损检测中的应用

探讨敲击检测技术在复合材料无损检测中的应用张金波;王宝瑞【摘要】本文根据纤维增强复合材料的特性，列出了损伤的主要类型和产生原因；对适用于复合材料制品的无损检测敲击技术进行探讨；对敲击技术的基本原理、方法分类、适用范围进行介绍；对传统敲击法和数字敲击法进行比较；总结敲击法的未来发展状况。%Thetypesandoccurringreasonsofdefectswerelistedaccordingtothecharacteristicsoffibrereinforcedcomposites.Theknockdetectioninthenon-destructivetestapplicapabletocompositeproductswerediscussedinthispaper.Thebasicprinciple,methodclassificationandapplicapablescopeofknocktechniqueswereintroduced.Thetraditionalknockandthedigitknockwerecompared.Thefuturedevelopmentoftheknocktechniquesweresummarized.【期刊名称】《纤维复合材料》【年(卷)，期】2014(000)002【总页数】3页(P19-21)【关键词】无损检测;复合材料;缺陷;敲击【作者】张金波王宝瑞【作者单位】哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036;哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036【正文语种】中文无损检测是不影响被检测对象性能的前提下，采用声、光、电、热、磁等非破坏技术对材料进行缺陷检测的技术。其利用材料内部和表面结构异常引起的参数变化，对各材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷进行检测，以及评定缺陷的类型、性质、位置、尺寸等当量，以确保结构可靠性和安全性。无损检测具有其它检测手段无法比拟的非破坏性、全面性、全程性、互容性、动态性和严格性，但由于其非直观检测，亦具有一定的争议性。复合材料无损探伤技术是基于金属探伤技术发展而来，随着科学技术的迅速发展，复合材料作为新兴材料，以其优良的性能广泛应用于各领域，但其存在明显的各项异性和非均质性，其导电性差、导热率低、声衰减高，传统技术已不能满足其需要，所以对复合材料无损探伤技术的研究尤为重要。其中，敲击技术作为一种便于携带、对环境要求较低的新型检测手段被广泛应用于(如飞机制造)各领域［1］。复合材料在成型和使用过程中，不可避免地会存在缺陷和遭受损伤。缺陷的存在，直接影响制品的结构和性能，降低设计寿命［2］。由于复合材料构件产生缺陷的原因较多，所以缺陷往往是多类型并存。常见的缺陷和损伤形式主要有(图1):表面损伤表面损伤是指复合材料表层或树脂涂层的割伤、凹槽、划痕、凹点、凸点等，一般情况下不会穿透表面。其产生的原因主要包括：外力损伤、疲劳损伤、湿热和老化等。分层分层是指两层或两层以上的材料层片间的分离。其产生的原因主要包括：复合材料构件受到冲击、钻孔、紧固件损伤、增强材料未经处理、基体与纤维间热膨胀系数不匹配或储存时间过长、树脂含量过低等。另外，制造过程中不小心带入的异物也会引起复合材料的分层。⑶脱粘脱粘是指胶接面分离。其产生的原因主要包括：二次成型界面粘接强度偏低、预紧力不足、胶粘剂与胶接材料不匹配和固化不良等。⑷气孔气孔含量是指内部包含的微型密集空隙(通常显球状，直径5~20um)的含量，存在于纤维的丝间、束间和层间。气孔的存在对结构层间性能影响较大。其产生的原因主要包括：树脂浸润性差，贫、富胶，成型工艺不合理，树脂反应挥发物存在和抽真空不当等。⑸夹杂夹杂是指结构中存在的异物，其产生的原因主要包括：树脂中存在小凝块、预浸料本身存在杂质、成型车间环境洁净度不满足要求，环境中的夹杂混入铺层中以及人为操作失误。(6)裂纹裂纹是指铺层内的细微开裂及延展。裂纹的存在会导致局部刚度衰减。其产生的原因主要包括：树脂与纤维间的线胀系数相差较大、固化工艺不当、夕卜力损伤、疲劳损伤和基体老化等。缺陷成因一般分为3个阶段，即原材料、成型和使用。纤维作为增强体，一般被直接使用或制成预浸料。纤维表面质量和浸润性差，预浸料含胶量不均匀、褶皱、纤维屈曲将导致制品贫胶或富胶、脱粘、分层和疏松。成型阶段产生缺陷是因为工艺不稳定和人为因素。人员误操作会引进夹杂，纤维屈曲分层，脱模剂混入分层；固化不良会产生气孔、疏松、贫胶、富胶、分层和装配面脱粘；本体与模具材料膨胀系数不匹配，会导致裂纹和表层分层；缠绕张力不足和机加工损伤会导致疏松和分层；模压工艺易产生较多气孔、疏松等，工艺状态和工艺稳定性不良都会导致缺陷产生，使制品质量离散较大。使用阶段由于环境和外力的作用，复合材料极易产生缺陷，疲劳、老化、撞击、吸湿、热效应和超载等因素会导致表层损伤、裂纹、分层、胶接面脱粘和疏松等缺陷。敲击检测是一种最古老的，且又是最普遍、易于实施、成本最为低廉的无损检测方法之一。传统的敲击检测法是对零部件进行粗略的检测，利用硬币、棒和小锤等物敲击物件表面，仔细辨听声音差异来查找缺陷。其主要原理是：当物件中存在较大缺陷时，人耳所听到的由敲击产生的声音会比较沉闷，否则声音清脆［3］。敲击的过程就是在被检件中激励产生机械振动的过程，通过声音以及敲击手感获得信息，检测人员凭借积累的经验对信息进行分析，从而得到判定结果。其优点是方便、快捷、易于实现且成本低廉。缺点是严重依赖于操作人员的敲击方法和主观判断，复检两次或两次以上敲击，声调辨析和冲击力控制存在不一致性，易造成误判和漏判，而且识别结果不利于保存，无法满足信息化和现代工程管理的需要。复合材料数字敲击检测的显著特点就是将传统的敲击检测与新兴的声振检测结合起来声振检测是利用低频脉冲检测复合材料引起谐振频率、相位、幅度等固有性能的变化。数字敲击检测是利用加速传感器采集来自前端设备（电子敲击锤）的敲击振动信号，再通过相应的软件系统对信号进行处理，结果进一步的辨识、对比和归类，最终对结构作出判断的技术，数字敲击检测系统框图见图2。数字敲击检测复合材料损伤时，由于损伤区分层、脱粘等损伤的存在，其固有刚性特征随之发生变化，固有振动频率（周期）随之变化，导致了损伤区有效接触刚度减小，周期变大，从而引起有损伤区的撞击时域曲线不同于无损伤区的时域曲线。通过比较两者的时域曲线或相应的频谱，就可以检测出损伤。数字敲击检测根据材料与结构的差异，主要分数字整体敲击检测和数字局部敲击检测［4］。3.2.1整体数字敲击检测从实施方法而言，整体数字敲击可分为单点激振单点测量和多点激振多点测量。其中，多点激振多点测量广泛用于复合材料网格结构、板件和胶接结构的检测。网格结构检测，由于自然频率测量方法简单且能明显反映损伤对其的影响，通常选定一组含义明确的振动模态，测定自然频率，然后在对模式进行测量和分类［5］。该方法受环境温度、振动、夹具、安装等因素的影响较大，导致对小损伤灵敏度降低。复合材料板件和胶接结构检测，多采用多点激振多点测量半功率点带宽法和自由振动衰减法，在使用两种方法前必须测定结构的振型，以便得到正确的激振和拾振。3.2.2局部数字敲击检测从原理上说，对结构表面进行局部的逐点敲击，通过局部刚度的变化判断缺陷的存在。当一个结构受到冲击时，它发出的声音主要是结构的主模态的振动频率形成的，这些频率是结构本身所固有的。所以，如果对同一结构相邻的两点进行敲击，其显示的声学特征是相似的。如果不同，一定是因为输入的冲击力不同，而冲击力不同则是有局部刚度变化造成的。气孔、脱粘、分层形态的确定，应以从不连续的中心沿向外的方向辐射图型敲击，直至采集到变化，以此来评估。另外，敲击检测不适用于第2层或第2层以上胶缝脱粘检测。数字敲击检测避免了传统敲击技术人为主观制约因素，更加客观、便捷，检测结果也更为准确。敲击检测通过测量制品振动的特征，可用于蜂窝状结构检测、复合材料多层结构和网格结构检测、胶接强度等的检测，可检测分层、气孔、夹杂、脱粘和裂纹等复合材料结构主要缺陷，但对于小缺陷灵敏度低。⑶敲击检测可以有效的评估部件的类型、损伤的类型、损伤所影响的范围、损伤的程度。⑷敲击检测设备便携，操作方便，自动化程度高，快速精确，检测结果客观，不受周围环境的影响，适用于大型复合材料结构的现场检测及实验室深入分析。(5)敲击检测作为复合材料无损检测的必要技术之一，可作为X射线和超声技术的有效辅助手段。随着复合材料的广泛应用，对结构的无损检测已成为提高工业水平，实现质量控制，保证结构安全使用必不可少的重要手段。本文介绍了具有检测精度高、不受环境干扰、操作简便、智能化程度高等优点，能够方便地用于生产现场快速原位智能检测，并具有网络化远程检测和诊断能力的复合材料结构敲击检测系统。【相关文献】［1］冯康军，李艳军.小波分析在飞机复合材料结构智能敲击检测中的应用研究［J］.飞机设计，2010(10):20-21