碳纤维构件挤压渐进损伤无损检测及其图像分析*

刘丽娜

(南京航空航天大学 金城学院,江苏 南京 211156)

碳纤维构件挤压渐进损伤无损检测及其图像分析*

刘丽娜

(南京航空航天大学 金城学院,江苏 南京 211156)

针对反复出现的小能量挤压是否会对复合材料层合板造成结构损伤，进行了碳纤维构件挤压渐进试验。应用红外无损检测方法采集对象图像，观测损伤结果，采用MATLAB图像分析软件对红外热像图进行数字图像分析。研究结果表明，碳纤维层合板试件在单次小能量挤压作用下，未出现明显缺陷；在小能量挤压重复作用下，会产生结构的损伤缺陷。采用红外热成像检测方法，可以快速、有效、可靠地检测结构损伤。

碳纤维构件；挤压渐进；无损检测；图像分析

碳纤维作为一种先进的结构材料,具有密度低、比性能高、无蠕变、非氧化环境下耐超高温性好、耐疲劳性好、耐腐蚀性好、X射线透过性好以及电磁屏蔽性好等优点，广泛应用于航空航天技术、能源工程、民用建筑和交通运输等领域[1]。在航空方面，由于碳纤维构件大部分采用整体成形，使连接件大幅度减少，从而极大地减小了飞行器的质量，优化了总体飞机结构，使飞机结构整体的可靠性指标得到上升；但是碳纤维构件存在层间强度低的特性,它对许多种类的外物挤压较为敏感，而这些损伤往往是无法用肉眼观察的，却会破坏整体结构，使构件失去应有的功能[2]。因而，运用简单易行的损伤检测方法对碳纤维构件的初期损伤进行发现和监控已刻不容缓。

本文通过对碳纤维复合材料层合板施加不同能量、不同加载次数挤压试验，运用了红外热成像仪无损探伤的方法[3]，应用MATLAB软件进行热图像处理，从而量化损伤面积的大小，研究不同加载次数下的小能量挤压损伤程度发展规律[4]。

1 碳纤维构件挤压渐进试验

物体受到挤压后或多或少会产生变形。由于层间强度低，复合材料层合板对许多类型的外物挤压损伤较为敏感，这些损伤可能是制造和维护过程中设备碰撞、人员蹬踏等造成，也可能是飞机使用过程中冰雹敲击、飞机起飞降落时跑道小石块对机翼和机身下表面蒙皮撞击造成，这类损伤凭肉眼往往难以发现，表现为目视不可检的内部损伤，其可导致基体开裂和分层损伤，严重时还会出现纤维断裂。本次试验模拟此类小能量挤压，并针对反复出现的小能量挤压是否会对复合材料层合板造成结构损伤进行试验研究。

挤压渐进试验在室温((25±2)℃)条件下进行。试验选用4块同种碳纤维增强多层复合材料板，外形尺寸均为50 mm×50 mm×1.5 mm。采用伺服电动机控制电子万能试验机(见图1)，对碳纤维复合材料层合板进行挤压损伤试验(见图2)。损伤部分是直径为40 mm的圆形区域，压头是一个直径为22 mm的钢制球体端部，压头轴线与板平面垂直。为使受力均匀，在碳纤维层合板与钢球之间放入硬纸板，通过调整压力荷载的大小控制挤压能量。

图1 万能试验机 图2 挤压渐进试验

具体试验方案为：1#试件采用最大载荷为1 kN的力进行缓慢加载，加载次数为1次；2#试件采用最大载荷为1 kN的力进行缓慢加载，加载次数为200次；3#试件采用最大载荷为2 kN的力进行缓慢加载，加载次数为1次；4#试件采用最大载荷为3 kN的力进行缓慢加载，加载次数为1次。各试件的加载图形如图3所示。

图3 各个试件的加载曲线

由图3可以看出，试件在小能量单次或较少疲劳次数下，加载曲线光滑无弯折；当加大冲击能量以及提升小能量疲劳加载次数时，加载曲线有明显弯折，且弯折点随着加载能量的增大而降低。

2 红外热波检测试验

红外无损检测技术在对各种材料、各种形状的试样的检测方面有广阔的发展前景，不仅在于其非接触式测量、红外无损检测实时性很强，而且具有远距离测量、设备可移动等特点，使得这项检测技术迅速发展。在多个领域中，金属材料都有其广泛的应用，因而研究检测金属工件内部缺陷的红外方法具有非常重大的意义。

本试验采用的红外热成像检测试验系统如图4所示。试验系统主要包括ImageIR高端红外成像系统、激励源、时间控制器、试验台、计算机处理系统和待测试件等部分。热像仪用于热像图的采集、处理和保存等，被测物体中如果存在缺陷，可在热像图上观察到。该系统不仅可以捕捉到清晰的热像图，还可以对图像进行基本分析，初步判定缺陷所在部位及区域大小。激励源为试验提供热源，时间控制器用来精确控制激励源的加热时长[5-6]。

图4 红外热成像检测试验系统示意图

试验结果如图5所示。由图5可以发现，1#试件由于冲击能量较小，碳纤维层合板没有明显损伤缺陷，2#、3#和4#试件在加大了冲击能量和冲击次数后，碳纤维层合板已经具有明显的损伤缺陷，但图像间的大小区别并不明显。

图5 各个试件红外热像图

下述通过MATLAB数字图像分析软件，对后3幅红外热像图进行量化分析，寻求加载次数与冲击能量之间的对比关系。

3 试件红外热像图分析结果

在红外图像采集过程中，由于热激励源的位置和激励方向等多方面的原因，常出现图像不均匀、对比度不足等弊端，使人眼在观看图像时视觉效果较差。本文首先对试验中采集的红外热像图进行相同大小面积的剪裁，以保证被分析区域总像素相同(见图6)；其次，采用灰度线性变换对红外图像进行处理，使图像动态范围加大，图像对比度扩展，图像清晰，特征明显(见图7)；然后，采用最大类间方差法对图像进行分割处理，实现对目标区域边界、位置(见图8)；最后，对图像进行二值化处理，提取缺陷大小，从而确定脱粘区域面积(见图9)[7-8]。

图6 各试件相同分析区域

图7 各试件灰度变换图

图8 各试件缺陷分割图

图9 各试件图像二值化

在图像中，损伤面积大小用像素数(PIX)来表示。对二值图取像素值为1的像素个数表示脱粘大小，脱粘实际面积大小可以根据热图的像素尺寸和试件的实际尺寸的比例得到，该比例关系可由热像仪的成像距离和热像仪所用的镜头倍数来确定。其计算方法如下：

式中，Length和Width分别为试件实际的长度和宽度；Mrow和Mcol分别为其对应图像的行数和列数；SIZE为缺陷的实际面积大小。经计算后，各个试件缺陷像素大小如下：1#试件为128；2#试件为3 362；3#试件为896；4#试件为3 159。1#试件由于在图像采集过程中存在噪声，基本可以忽略；2#试件具有缺陷像素，与图3b的加载曲线相吻合；3#和4#试件，随着加载挤压能量的增加，损伤缺陷面积像素明显增加。图像分析结果与加载曲线的走向基本一致。

4 结语

通过上述分析，得出如下结论。

1)详细对比加载曲线和红外热像处理结果，对于碳纤维层合板试件在单次小能量挤压作用下，未出现明显缺陷。在小能量挤压重复作用下，会产生结构的损伤缺陷，通过红外热成像检测方法可以快速、有效和可靠地检测结构损伤。

2)通过对红外热像检测结果的图像进行处理分析，可以有效描述碳纤维构件挤压损伤渐进发展的过程，并确定挤压损伤缺陷类型。

3)通过试验分析结果可以看出，加载曲线的弯折点同为判断试件是否出现结构损伤的依据，并且挤压能量越大，曲线上的弯折点越靠近起点。

[1] 邵长军. FRP加固结构剥离损伤的声-光纤无损检测试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2013.

[2] 李晓霞,伍耐明. 碳纤维层合板低速冲击后的红外热波检测分析[J]. 复合材料学报, 2010,27(6):88-93.

[3] 张彦, 朱平. 低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析[J]. 复合材料学报,2006,23(2):150-153.

[4] 刘丽娜，郑步生. 红外热成像技术在碳纤维加固构件冲击探伤中的应用[J].新技术新工艺，2015(11):122-124.

[5] 田裕鹏. 红外检测与诊断技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.

[6] 蔡毅,王岭雪.红外成像技术中的9个问题[J].红外技术, 2013,35(11): 671-682.

[7] 孙希婕,胡威伟.基于均值漂移的红外舰船图像分割算法[J].新技术新工艺, 2014(5)：16-18.

[8] 高飞.MATLAB图像处理375例[M].北京:人民邮电出版社,2015.

* 江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB590001)

责任编辑 马彤

Nondestructive Detection and Image Analysis of Progressive Damage of Carbon Fiber Components

LIU Lina

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211156, China)

In order to study that the recurrent small energy squeeze whether will cause structural damage to the composite laminated plate, the carbon fiber components squeezing gradual test is done. Through object image for the collection of nondestructive testing methods, the infrared thermal image analysis software based on MATLAB figure for digital image is used to analyze the results. The research results show that under the action of a single small energy extrusion, carbon fiber lamina specimens do not have the obvious flaw, and in small energy extrusion under the action of repeated, it can produce the structure of the defect. Through the infrared thermal imaging detection method, the structural damage can be detected in the quick, effective and reliable state.

carbon fiber components, squeeze the gradual, nondestructive testing, image analysis

TU 528.58; TP 751.1

A

刘丽娜(1981-),女，硕士，讲师，主要从事民航机电工程等方面的研究。

2016-09-28