复合材料气瓶分层缺陷的红外检测热激励研究

丁克勤 张宏鹏,2 周克印 陶芳泽 龚雪茹,2 舒 艾,2

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.武汉工程大学 机电工程学院 武汉 430205）

（3.南京航空航天大学 南京 211106）

复合材料气瓶分层缺陷的红外检测热激励研究

丁克勤1张宏鹏1,2周克印3陶芳泽1龚雪茹1,2舒 艾1,2

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.武汉工程大学 机电工程学院 武汉 430205）

（3.南京航空航天大学 南京 211106）

复合材料气瓶红外检测热激励方法主要分为气瓶外部热激励和气瓶内部热激励两种，为了研究适合复合材料气瓶分层缺陷的热激励方法，本文利用COMSOL Multiphysics有限元软件对不同热激励方法下的复合材料气瓶分层缺陷红外检测进行模拟分析，并构建红外检测热激励实验平台，对模拟结果进行热激励实验验证。研究了气瓶外部光激励和气瓶内部热水激励两种热激励方法对复合材料气瓶分层缺陷红外检测效果的影响。结果表明，气瓶外部光激励存在着加热不均匀现象如局部亮斑，且金属的传热较快，检测效果一般；气瓶内部热水激励加热较为均匀未出现亮斑，检测效果良好，更适合复合材料气瓶分层缺陷的红外检测。

复合材料气瓶 分层缺陷 COMSOL Multiphysics 热激励 红外检测

复合材料气瓶由于其使用特点和服役环境，出现的损伤和缺陷多是因为制造工艺不佳或使用过程中对气瓶外层缠绕层的冲击造成的，其中对气瓶外层缠绕层冲击造成的缺陷主要为分层缺陷[1]。目前，在行业标准NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》[2]中，针对复合材料气瓶损伤和缺陷的无损检测多为射线检测、超声检测、涡流检测等检测方法。但这些无损检测方法难以对复合材料气瓶的分层缺陷进行有效的检测，因此人们提出利用一种新的方法即红外热成像检测法对复合材料气瓶分层缺陷进行检测[3-5]。红外热成像检测法具有实时、快速、高效率、非接触等优点，很适合工业上对于复合材料气瓶损伤和缺陷的检测。

复合材料气瓶红外检测根据热激励方法的不同可以分为气瓶外部热激励和气瓶内部热激励两种方式。气瓶外部热激励主要使用加热灯、闪光灯等外部热源对复合材料气瓶进行热激励，并用红外热像仪记录下外部热激励方法下的复合材料气瓶红外热像图。气瓶内部热激励主要使用热水、电磁涡流等内部热源对复合材料气瓶进行热激励，并用红外热像仪记录下内部热激励方法下的复合材料气瓶红外热像图。通过研究分析复合材料气瓶红外热像图，对复合材料气瓶损伤和缺陷进行鉴别。

本文利用COMSOL Multiphysics[6]有限元软件对不同热激励方法下的复合材料气瓶红外检测进行模拟分析，并构建红外检测热激励实验平台，对模拟结果进行热激励实验验证。

1 COMSOL Multiphysics模拟分析

1.1 分层缺陷模型建立

由于复合材料气瓶为轴对称结构，故以复合材料气瓶钢层和缠绕层纵切面的一部分为试件模板，在COMSOL Multiphysics软件中建立复合材料气瓶分层缺陷试件二维平面模型，如图1所示。

复合材料气瓶分层缺陷试件模型长50mm，钢层厚5mm，缠绕层厚5mm，分层缺陷为圆柱形缺陷，直径为10mm，厚度为1mm，分层缺陷A位于缠绕层和钢层贴合处，分层缺陷B位于缠绕层厚度1/2位置处。其中，钢层材料为30CrMo，缠绕层材料为E玻璃纤维，分层缺陷材料为聚四氟乙烯，所需材料热物性参数见表1。

图1 复合材料气瓶分层缺陷试件模型

表1 复合材料气瓶材料的热物理性质

1.2 模拟过程与结果

●1.2.1 气瓶外部光激励模拟

气瓶外部热激励模拟将采用连续热流作为激励方式对复合材料气瓶外部的缠绕层表面进行加热，缠绕层吸入光热能量为1000W/m2，试件另一表面设置与空气自然对流换热，假设对流换热系数是10 W/（m2·℃）。模拟实验环境在室温下进行，温度设定为20℃。连续热流激励时间设置为60s，时间步长为5s，在0～60s内均匀取样进行模拟，观测试件表面温度变化。当激励时间为5s、10s、20s和60s时，模拟结果如图2所示。

由图2可知，因为分层缺陷所用材料传热系数低，热流从缠绕层传导到分层缺陷处能量受到阻碍，使得部分能量返回到缠绕层表面，所以含分层缺陷位置的缠绕层表面温度要高于无缺陷位置的表面温度，且分层缺陷距离缠绕层表面越近，其缺陷位置的缠绕层表面温度也就越高。

图2 连续热流激励模拟结果

●1.2.2 气瓶内部热水激励模拟

因气瓶在进行红外探测前需进行内部灌装热水清洗，故本着环保、循环利用的原则，气瓶内部热激励模拟将采用水温为50 ℃的热水作为激励方式对气瓶内部的钢层进行加热。模拟实验环境在室温下进行，温度设定为20℃。热水激励时间设置为60s，时间步长为5s，在0～60s内均匀取样进行模拟，观测试件表面温度变化。当激励时间为5s、10s、20s和60s时，模拟结果如图3所示。

由图3可知，因为分层缺陷所用材料传热系数低，热流从钢层传导到分层缺陷处能量受到阻碍，使得传到缠绕层表面的热量减少，所以含缺陷位置的缠绕层表面温度会低于钢层温度。且分层缺陷距离缠绕层表面越远，其缺陷位置的缠绕层表面温度也就越低。

图3 热水激励模拟结果

1.3 模拟结果分析

通过对比COMSOL软件的两种不同热激励方法对复合材料气瓶分层缺陷的模拟结果，可以发现当缠绕层内含分层缺陷时，其缺陷位置的缠绕层表面温度会有着明显的不同，这说明采用气瓶外部连续热流激励和气瓶内部热水激励两种热激励方法均可以有效地检测出分层缺陷。不过，仅从模拟结果中无法判定出最适合复合材料气瓶分层缺陷的红外检测热激励方法，需要进行热激励实验进一步验证模拟结果。

2 热激励实验验证

2.1 实验平台搭建

复合材料气瓶分层缺陷红外检测热激励方法研究的实验平台，主要由红外热像仪、热激励源、计算机以及含分层缺陷的复合材料气瓶组成。根据实际实验需求，本次实验选用玻璃纤维为缠绕层的复合材料气瓶作为被检实验气瓶，如图4所示。气瓶高度为730mm，直径360mm，钢层厚5mm，缠绕层厚5mm。并根据实验要求选用了德国Optris PI450型红外热像仪，如图5所示。其温度范围为-20℃～900℃，测量精度为±2%，热灵敏度为0.04K。红外热像仪通过USB接口与计算机相连接。气瓶外部热激励选用Photo Light-1000W型加热灯作为激励热源，其最大功率为1000W，色温3200K，实验现场布置如图6所示。气瓶内部热激励选用50℃的热水作为激励热源，注水量为气瓶1/2高度，实验现场布置如图7所示。

图4 被检实验气瓶

图5 Optris PI450型红外热像仪

图6 气瓶外部热激励实验现场布置

图7 气瓶内部热激励实验现场布置

2.2 热激励实验

●2.2.1 气瓶外部光激励实验

本组实验利用Photo Light-1000W型加热灯作为外部热源对复合材料气瓶进行红外检测实验，实验分为正面检测和背面检测两个过程。图8为复合材料气瓶外部热激励正面检测红外热像图，图9为复合材料气瓶外部热激励背面检测红外热像图。从图8和图9两个红外热像图中可以发现，玻璃纤维缠绕层靠近气瓶两端的部位出现了部分分层缺陷，其余部位未见明显缺陷与损伤。缺陷与损伤产生于靠近端部的缠绕层，可能是由于边角处撞击或粘接不良所引起的。

图8 复合材料气瓶外部热激励正面检测红外热像图

图9 复合材料气瓶外部热激励背面检测红外热像图

●2.2.2 气瓶内部热水激励实验

因复合材料气瓶内部为空心结构，故本组实验利用50℃的热水作为内部热源对复合材料气瓶进行红外检测实验，其中注入热水量为气瓶高度的1/2，实验分为注水1/2时正立检测和倒立排水检测两个过程。图10为复合材料气瓶内部热激励注水1/2时红外热像图，图11为复合材料气瓶内部热激励倒立排水红外热像图。从图10和图11两个热像图可以发现，在气瓶底端部存在一处较小的分层损伤，其余部位未见明显缺陷与损伤。

图10 复合材料气瓶内部热激励注水1/2时红外热像图

图11 复合材料气瓶内部热激励倒立排水红外热像图

2.3 热激励实验结果分析

通过对比两种不同的热激励方法对复合材料气瓶分层缺陷的红外热像图，可以发现：1）在使用气瓶外部光激励时，被检测复合材料气瓶存在加热不均匀、出现局部亮斑、金属导热速率过快以及弧面圆柱结构受热不均匀等现象，难以清晰地从红外热像图中发现缺陷或损伤，故应用外部热源作为激励热源难以达到理想的检测效果；2）在使用气瓶内部热水激励时，被检测复合材料气瓶加热较为均匀，未出现亮斑，可以清晰地从红外热像图中发现缺陷或损伤，故应用内部热水作为激励热源可以达到良好的检测效果。

3 结束语

本文利用COMSOL Multiphysics有限元软件对不同热激励方法下的复合材料气瓶红外检测进行模拟分析，并构建红外检测热激励实验平台，对模拟结果进行实验验证，得到以下结论：

1）气瓶外部光激励模拟结果和气瓶内部热水激励模拟结果显示两种激励方法均可以有效地检测出分层缺陷。

2）气瓶外部光激励实验存在着加热不均匀现象如局部亮斑，且金属的传热较快，检测效果一般；气瓶内部热水激励实验加热较为均匀未出现亮斑，可以清晰地从红外热像图中发现缺陷或损伤，检测效果良好。

3）气瓶内部热激励方法更适合复合材料气瓶分层缺陷的红外检测，且检测效果良好。

[1] 赫晓东，赵俊青，王荣国，等.复合材料压力容器无损检测研究现状[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（12）：78-82.

[2] NB/T 47013—2015 承压设备无损检测[S].

[3] 陈桂才，吴东流，程茶园，等.复合材料缺陷的红外热波无损检测[J].宇航材料工艺，2004，34（01）：55-58.

[4] Milne J M， Reynolds W N. The nondestructive evaluation of composite and other materials by thermal pulse video thermography[J]. SPIE， 1984， 520(06)： 119-123.

[5] 张宏鹏，丁克勤，陶芳泽，等.复合材料气瓶分层缺陷的红外检测数值模拟[J].武汉工程大学学报，2016，38（06）：583-587.

[6] 樊丹丹.基于红外热波的界面脱粘无损检测技术研究[D].太原：中北大学，2011.

Thermal Excitation Research of Delamination Defect of Composite Cylinder by Infrared Detection

Ding Keqin1Zhang Hongpeng1,2Zhou Keyin3Tao Fangze1Gong Xueru1,2Shu Yi1,2
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology Wuhan 430205)
(3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106)

The thermal excitation methods of composite cylinder by infrared detection are mainly divided into two types: external thermal excitation and internal thermal excitation. In order to research the thermal excitation method applied to delamination defect of composite cylinder, we carried out infrared simulation analysis of the composite cylinder delamination defect under the different thermal excitation methods through COMSOL Multiphysics finite element. Then the experimental platform of thermal excitation by infrared detection technology has been constructed and the simulated results are veri fi ed by the thermal excitation experiments. The paper studies the effect of two thermal excitation, cylinder external light excitation and cylinder internal hot water excitation, to delamination defect of composite cylinder by infrared detection. The results show that the method of cylinder external light excitation is generate uneven heated phenomenon such as partial brightness, and the metal conducts heat fast which is leading the inef fi cient detection. On the contrary, cylinder internal hot water excitation could heat evenly that it has no brightness and give a good performance. All in all, cylinder internal hot water excitation is more appropriate for the infrared detection of delamination defect of composite cylinder.

Composite cylinder Delamination defect COMSOL Multiphysics Thermal excitation Infrared detection technology

X924.2

B

1673-257X（2017）10-0027-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.007

丁克勤（1968～)，男，博士，研究员，从事特种设备结构健康监测工作。

张宏鹏，E-mail： 379709901@qq.com。

国家重大科学仪器设备开发专项（项目编号：2013YQ470767-07）

2017-07-24）