探討敲擊檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

探討敲擊檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用張金波;王寶瑞【摘要】本文根據(jù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特性，列出了損傷的主要類(lèi)型和產(chǎn)生原因；對(duì)適用于復(fù)合材料制品的無(wú)損檢測(cè)敲擊技術(shù)進(jìn)行探討；對(duì)敲擊技術(shù)的基本原理、方法分類(lèi)、適用范圍進(jìn)行介紹；對(duì)傳統(tǒng)敲擊法和數(shù)字敲擊法進(jìn)行比較；總結(jié)敲擊法的未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r。%Thetypesandoccurringreasonsofdefectswerelistedaccordingtothecharacteristicsoffibrereinforcedcomposites.Theknockdetectioninthenon-destructivetestapplicapabletocompositeproductswerediscussedinthispaper.Thebasicprinciple,methodclassificationandapplicapablescopeofknocktechniqueswereintroduced.Thetraditionalknockandthedigitknockwerecompared.Thefuturedevelopmentoftheknocktechniquesweresummarized.【期刊名稱(chēng)】《纖維復(fù)合材料》【年(卷)，期】2014(000)002【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P19-21)【關(guān)鍵詞】無(wú)損檢測(cè);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(yǔ)種】中文無(wú)損檢測(cè)是不影響被檢測(cè)對(duì)象性能的前提下，采用聲、光、電、熱、磁等非破壞技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)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(duì)各材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，以及評(píng)定缺陷的類(lèi)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(wú)損檢測(cè)具有其它檢測(cè)手段無(wú)法比擬的非破壞性、全面性、全程性、互容性、動(dòng)態(tài)性和嚴(yán)格性，但由于其非直觀(guān)檢測(cè)，亦具有一定的爭(zhēng)議性。復(fù)合材料無(wú)損探傷技術(shù)是基于金屬探傷技術(shù)發(fā)展而來(lái)，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(xiàng)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(mǎn)足其需要，所以對(duì)復(fù)合材料無(wú)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(duì)環(huán)境要求較低的新型檢測(cè)手段被廣泛應(yīng)用于(如飛機(jī)制造)各領(lǐng)域［1］。復(fù)合材料在成型和使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)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(jì)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(lèi)型并存。常見(jiàn)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(shù)脂涂層的割傷、凹槽、劃痕、凹點(diǎn)、凸點(diǎn)等，一般情況下不會(huì)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(qiáng)材料未經(jīng)處理、基體與纖維間熱膨脹系數(shù)不匹配或儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、樹(shù)脂含量過(guò)低等。另外，制造過(guò)程中不小心帶入的異物也會(huì)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(qiáng)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(duì)結(jié)構(gòu)層間性能影響較大。其產(chǎn)生的原因主要包括：樹(shù)脂浸潤(rùn)性差，貧、富膠，成型工藝不合理，樹(shù)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(shù)脂中存在小凝塊、預(yù)浸料本身存在雜質(zhì)、成型車(chē)間環(huán)境潔凈度不滿(mǎn)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(xì)微開(kāi)裂及延展。裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致局部剛度衰減。其產(chǎn)生的原因主要包括：樹(shù)脂與纖維間的線(xiàn)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(gè)階段，即原材料、成型和使用。纖維作為增強(qiáng)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(rùn)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?yàn)楣に嚥环€(wěn)定和人為因素。人員誤操作會(huì)引進(jìn)夾雜，纖維屈曲分層，脫模劑混入分層；固化不良會(huì)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(huì)導(dǎo)致裂紋和表層分層；纏繞張力不足和機(jī)加工損傷會(huì)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(huì)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(huì)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(cè)是一種最古老的，且又是最普遍、易于實(shí)施、成本最為低廉的無(wú)損檢測(cè)方法之一。傳統(tǒng)的敲擊檢測(cè)法是對(duì)零部件進(jìn)行粗略的檢測(cè)，利用硬幣、棒和小錘等物敲擊物件表面，仔細(xì)辨聽(tīng)聲音差異來(lái)查找缺陷。其主要原理是：當(dāng)物件中存在較大缺陷時(shí)，人耳所聽(tīng)到的由敲擊產(chǎn)生的聲音會(huì)比較沉悶，否則聲音清脆［3］。敲擊的過(guò)程就是在被檢件中激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的過(guò)程，通過(guò)聲音以及敲擊手感獲得信息，檢測(cè)人員憑借積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)信息進(jìn)行分析，從而得到判定結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是方便、快捷、易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉。缺點(diǎn)是嚴(yán)重依賴(lài)于操作人員的敲擊方法和主觀(guān)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(shí)別結(jié)果不利于保存，無(wú)法滿(mǎn)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(cè)的顯著特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的敲擊檢測(cè)與新興的聲振檢測(cè)結(jié)合起來(lái)聲振檢測(cè)是利用低頻脈沖檢測(cè)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(cè)是利用加速傳感器采集來(lái)自前端設(shè)備（電子敲擊錘）的敲擊振動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果進(jìn)一步的辨識(shí)、對(duì)比和歸類(lèi)，最終對(duì)結(jié)構(gòu)作出判斷的技術(shù)，數(shù)字敲擊檢測(cè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。數(shù)字敲擊檢測(cè)復(fù)合材料損傷時(shí)，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(dòng)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(shí)域曲線(xiàn)不同于無(wú)損傷區(qū)的時(shí)域曲線(xiàn)。通過(guò)比較兩者的時(shí)域曲線(xiàn)或相應(yīng)的頻譜，就可以檢測(cè)出損傷。數(shù)字敲擊檢測(cè)根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的差異，主要分?jǐn)?shù)字整體敲擊檢測(cè)和數(shù)字局部敲擊檢測(cè)［4］。3.2.1整體數(shù)字敲擊檢測(cè)從實(shí)施方法而言，整體數(shù)字敲擊可分為單點(diǎn)激振單點(diǎn)測(cè)量和多點(diǎn)激振多點(diǎn)測(cè)量。其中，多點(diǎn)激振多點(diǎn)測(cè)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(cè)。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)檢測(cè)，由于自然頻率測(cè)量方法簡(jiǎn)單且能明顯反映損傷對(duì)其的影響，通常選定一組含義明確的振動(dòng)模態(tài)，測(cè)定自然頻率，然后在對(duì)模式進(jìn)行測(cè)量和分類(lèi)［5］。該方法受環(huán)境溫度、振動(dòng)、夾具、安裝等因素的影響較大，導(dǎo)致對(duì)小損傷靈敏度降低。復(fù)合材料板件和膠接結(jié)構(gòu)檢測(cè)，多采用多點(diǎn)激振多點(diǎn)測(cè)量半功率點(diǎn)帶寬法和自由振動(dòng)衰減法，在使用兩種方法前必須測(cè)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(cè)從原理上說(shuō)，對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行局部的逐點(diǎn)敲擊，通過(guò)局部剛度的變化判斷缺陷的存在。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)，它發(fā)出的聲音主要是結(jié)構(gòu)的主模態(tài)的振動(dòng)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(duì)同一結(jié)構(gòu)相鄰的兩點(diǎn)進(jìn)行敲擊，其顯示的聲學(xué)特征是相似的。如果不同，一定是因?yàn)檩斎氲臎_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(lái)評(píng)估。另外，敲擊檢測(cè)不適用于第2層或第2層以上膠縫脫粘檢測(cè)。數(shù)字敲擊檢測(cè)避免了傳統(tǒng)敲擊技術(shù)人為主觀(guān)制約因素，更加客觀(guān)、便捷，檢測(cè)結(jié)果也更為準(zhǔn)確。敲擊檢測(cè)通過(guò)測(cè)量制品振動(dòng)的特征，可用于蜂窩狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)、復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)檢測(cè)、膠接強(qiáng)度等的檢測(cè)，可檢測(cè)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(duì)于小缺陷靈敏度低。⑶敲擊檢測(cè)可以有效的評(píng)估部件的類(lèi)型、損傷的類(lèi)型、損傷所影響的范圍、損傷的程度。⑷敲擊檢測(cè)設(shè)備便攜，操作方便，自動(dòng)化程度高，快速精確，檢測(cè)結(jié)果客觀(guān)，不受周?chē)h(huán)境的影響，適用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室深入分析。(5)敲擊檢測(cè)作為復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的必要技術(shù)之一，可作為X射線(xiàn)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(duì)結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)已成為提高工業(yè)水平，實(shí)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(cè)精度高、不受環(huán)境干擾、操作簡(jiǎn)便、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠方便地用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速原位智能檢測(cè)，并具有網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程檢測(cè)和診斷能力的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敲擊檢測(cè)系統(tǒng)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】［1］馮康軍，李艷軍.小波分析在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)智能敲擊檢測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010(10):20-21