基于多模式超声成像的CFRP冲击损伤无损表征与冲击后压缩强度预测

2023-01-31张伟王彬文樊俊铃詹绍正焦婷杨宇

航空学报 2023年1期

张伟，王彬文，樊俊铃，詹绍正，焦婷，杨宇

1．中国飞机强度研究所，西安 710065

2．西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics， CFRP）具有比强度和比刚度高、耐腐蚀及抗疲劳等诸多优点，越来越多地替代金属材料用于现代航空工业中［1-2］。但CFRP层压结构的多铺层、非均质和各向异性导致其对垂直于铺层方向的冲击载荷较为敏感，即使在低能量冲击情况下，也可能使其内部产生各种不可见的损伤，导致结构压缩承载性能急剧降低［3］。鉴于此，在CFRP结构设计、试验、制造装配和服役过程中均对冲击损伤的检出和定量表征给予了密切关注。如在飞行器结构设计和试验阶段，需要研究冲击能量、损伤位置、模式及尺寸等特征对材料力学性能的影响，为结构许用值和损伤容限设计提供基础数据支持［4］。在制造和服役过程中，要求能够及时发现和表征各种意外坠落或外物撞击等引起的冲击损伤，为结构承载性能评估和维修维护提供可靠的信息输入［5-6］。

宏观上的多铺层和各向异性、细微观上的多相和非均质性导致CFRP的损伤模式和失效破坏机理与金属、各向同性及一般均质各向异性材料完全不同［7］。在冲击载荷作用下，CFRP层压结构主要靠弹性变形和损伤破坏来吸收能量，高能量冲击将会导致材料表面出现目视明显可见的凹坑，甚至被冲击物穿透，而低能量冲击损伤在CFRP层压板表面目视并不明显［8］。在工程应用中，高能量冲击损伤比较容易被发现并得到及时修补，由于具有层压和吸能的特点，低能量冲击损伤难以通过目视观察发现，但其内部损伤可能已超过了设计要求的损伤容限。随着CFRP的应用范围逐渐从升降舵、方向舵和减速板等次承力构件向中央翼盒和机身筒段等主承力和复杂承力构件拓展，相应地，CFRP构件在制造、加工和服役过程中发生工具坠落、冰雹和跑道碎石等冲击事件的概率大幅上升。

近年来，国内外关于CFRP内部冲击损伤无损表征的研究工作受到广泛关注，很多无损检测技术均有所应用。其中，超声检测由于具有检测灵敏度高、对人体无害以及便于现场使用等优点，已成为航空工业中应用最为广泛的无损检测技术之一。国内外学者围绕CFRP缺陷和损伤超声无损表征开展了大量研究，研究工作涉及常规超声［9-11］、相控阵超声［12-13］、激光超声［14］、空气耦合超声［15］、非线性超声［16］及超声显微镜［17］等。其中，激光超声和空气耦合超声具有非接触、无污染、易于实现自动化等优势，脉冲宽度可达到纳秒级，具有很高的微小损伤检测能力。空气耦合超声是一种以空气作为耦合介质的非接触声学检测方法，除了耦合介质差异外，在超声激发与声传播机理方面与传统超声检测技术相比差异不大。非线性超声主要基于超声波在CFRP中传播时内部损伤与超声波相互作用产生的非线性响应信号，通过分析非线性参量的变化规律对损伤进行表征，其对材料细微观损伤较为敏感。超声显微镜主要利用短波长高频声波对待检材料进行扫描成像，具有较高的纵向分辨力，能够实现CFRP厚度方向上层间分层、基体裂纹和纤维断裂等多模式损伤的高精度逐层成像，但高频超声（50~1 000 MHz）在CFRP中衰减较大，对5 mm以上大厚度结构的适用性还存在明显不足。

目前，常规超声和相控阵超声检测技术在CFRP冲击损伤表征中最为常用，国内外学者在基础理论研究、技术探索、专用设备研发和工程化应用等方面取得了一系列突破性成果。刘松平等［18］深入分析了脉冲超声波在含分层损伤CFRP中的传播行为，利用超声脉冲波在分层界面处的声压反射系数，实现了5 MHz检测频率下分层损伤的超声可视化成像评估。刘菲菲等［19］基于超声脉冲回波法，通过超声B扫描和T扫描进行了CFRP分层损伤成像评估。试验结果表明，通过超声B扫描成像，可以再现层压结构试样表面和内部分层损伤在其不同深度方向的断面分布、取向、扩展及深度等确切信息，通过超声T扫描成像，则可以直观地显示损伤在试样不同深度铺层方向的损伤区域（面积）、分布及其扩展特征。Wang等［12］提出了一种基于相控阵超声的CFRP冲击损伤三维重构技术，利用10 MHz线阵超声探头的时域回波振幅特征，采用−6 dB法从体积和面积两方面表征分层损伤大小，并建立了冲击能量与损伤体积/面积的预测模型。总体而言，现有研究工作主要集中于CFRP损伤的检出和二维成像，很少涉及损伤三维分布特征及损伤后剩余强度的无损表征。

针对以上问题，以AC631/CCF800H复合材料层板为研究对象，提出了一种基于多模式超声成像的CFRP层板冲击损伤表征与冲击后压缩强度预测方法。在损伤定量表征方面，利用相控阵超声对CFRP层板冲击损伤进行B扫描、声程C扫描和层析C扫描等多模式成像，系统分析了CFRP层板结构的冲击损伤特性。在力学性能预测方面，以层析C扫描图像为基础，引入等效开孔尺寸对其冲击后压缩强度进行了预测。试验结果表明：多模式超声成像技术能够有效描述CFRP层板内部分层损伤的形貌、尺寸及三维空间分布特征，基于层析超声C扫描图像的等效开孔体积与冲击后压缩强度的相关性更大，预测结果也更为精确。研究成果可为复合材料冲击损伤过程的精细化分析和材料力学性能定量无损表征提供一定的借鉴和参考。

1 原理及方法

1.1 CFRP冲击损伤多模式超声成像

超声波在CFRP结构中的传播行为与声波波长λ和CFRP单铺层厚度di密切相关，当λ≫di时，CFRP可视为均匀层状声学介质［20］，本研究中CFRP层板的纵波声速为2 870 m/s，5 MHz检测频率下的纵波波长约为0.57 mm，远大于单铺层厚度0.125 mm，声波不会在单铺层层间界面产生时域可辨的反射回波。当CFRP内部存在缺陷或损伤时，异质界面的出现会显著改变材料的声学连续性，引起声波的反射和散射，反射声波的能量通常用声压反射系数rc表示［21］：

式中：c1和c2分别为声波在CFRP和损伤区域中的传播速度；ρ1和ρ2为CFRP和损伤区域的密度，式（1）中声压反射系数rc的绝对值越大，表示声波反射越强烈。对于分层损伤，分层区域可视为空气界面，则rc无限趋近于−1，此时声波在分层界面近似全反射，时域波形中会出现明显的分层界面反射回波。同时，通过提取回波信号的传播时间tk，即可确定出分层损伤的深度：

前期研究表明，对于含冲击损伤CFRP层板结构，分层损伤在冲击点附近和沿试验件厚度方向均可能出现，导致时域信号中回波数量与位置有很大不确定性，如在无损伤位置仅有出现表面和底面回波，而在分层位置，回波幅值会随着分层大小和深度的变化而变化，且检测信号中会叠加结构噪声、电磁噪声等干扰信号，分层损伤精确表征难度进一步增大。针对这一问题，本研究提出采用多模式超声成像技术对CFRP层板损伤及损伤过程进行分析。多模式超声成像原理如图1所示，传统相控阵超声成像模式主要有B扫描、声程C扫描和D扫描（可视为侧面B扫描），每种成像方式都各有侧重。假设冲击损伤上任意一点P，其在B扫描图像上表示为B（xi，zk），在声程C扫描上表示为C（xi，yi，z∑k），利用B扫描图像能够获得损伤的深度信息zk，但无法获得损伤沿铺层方向的形貌信息，利用层深C扫描可以获得损伤在厚度方向上的投影z∑k，但难以实现损伤的三维逐层成像。

图1 多模式超声成像原理示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-mode ultrasound imaging

图2 冲击损伤多模式超声成像Fig.2 Multi-mode ultrasound imaging for impact damage

针对以上问题，提出了一种多种成像模式相结合的CFRP冲击损伤表征方法。首先，利用超声B扫描成像再现CFRP内部损伤的断面分布、扩展情况以及深度等信息，通过扫描断面的设置和选择，能够以给定的步进量获取被检CFRP在厚度方向任意断面的超声图像，如图2（a）所示。B扫描图像中横坐标与相控阵超声探头在试样上扫描的实际位置一一对应，纵坐标则与试样厚度严格对应，通过B扫描成像能够有效表征分层损伤在CFRP厚度方向的分布情况。同时，利用时域信号中最大损伤反射回波的位置进行声程C扫描成像，获得冲击损伤沿整个厚度方向上的分层损伤投影和尺寸信息，如图2（b）所示。随后，基于B扫描图像获得的分层损伤深度信息zk，对声程C扫描图像进行图像分离和损伤层析成像，进而得到冲击损伤的层析C扫描图像C（xi，yi，zk）。图2（c）给出了含冲击损伤CFRP试验件的相控阵超声层析C扫描成像结果，结果表明，层析C扫描图像能够有效揭示CFRP分层损伤的位置、尺寸和分布信息，为实现CFRP层板结构冲击损伤三维空间分布及其特征的可视化分析和量化评估提供了一种可靠的量化分析方法。

1.2 CFRP冲击后压缩强度预测

复合材料冲击后压缩强度（Compression af⁃ter Impacting， CAI）是衡量其损伤容限的重要指标［4］。目前，工程领域主要通过大量的破坏性压缩试验获得复合材料的CAI和设计许用值，或利用冲击后凹坑深度和分层损伤面积等无损方法对其力学性能进行评估［22］。一般来说，力学性能试验主要用于材料体系设计和强度验证阶段，得到的CAI值最为精确可靠，但试验成本较高，需要耗费大量的人力物力，且难以实现复杂装配和在役状态下的结构强度预测。与破坏性试验相比，无损检测技术能够在不破坏结构完整性和使用性能的前提下，通过分析光、声、热等检测信号的变化，实现材料物理力学性能的无损表征。

对于CFRP层板结构，凹坑深度法和最大开孔体积法是目前工程中最为常用的CAI预测方法。凹坑深度法通过测量材料冲击后产生的凹坑深度D0与试验测量CAI值进行拟合，进而获得凹坑深度D0-CAI拟合曲线。最大开孔体积法首先利用超声、红外或射线等无损检测方法获得最大分层面积Smax，随后将其视为体积为Vmax的贯穿通孔，进而得到最大开孔尺寸Vmax-CAI拟合曲线。已有实验表明，CFRP分层损伤具有显著的空间金字塔状扩散分布特征，且损伤的取向、形貌和面积均表现出了一定的离散性，凹坑深度法仅能反映层板表面和近表面的损伤状态，缺少内部损伤信息，而最大开孔体积法显然过高估计了CFRP层板的损伤程度。针对这一问题，本文提出基于层析C扫描图像信息，分别采用凹坑深度法、最大开孔体积法和等效开孔体积法对CFRP层板结构CAI值进行预测。如图3所示，假设CFRP层板厚度为H，凹坑深度为D0，首先，基于1.1节的超声层析C扫描成像技术获得分层损伤的深度hi和分层面积Si，进而将其等效为体积为Vmax（最大开孔体积）和Vequ（等效开孔体积）的贯穿通孔，随后，分别以D0、Vmax和Vequ作为自变量x，以实验测量冲击后压缩强度σCAI作为观测值，采用最小二乘法进行线性回归拟合：

图3 最大开孔尺寸和等效开孔尺寸计算示意图Fig.3 Schematic diagram for calculation of the maxi⁃mum through-hole volume and equivalent through-hole volume

同时，引入决定系数R2和均方根误差RMSE 2个统计学指标对3种方法的预测性能进行评价，决定系数R2越大、均方根误差RMSE越小，则预测精度越高，当R2= 1时，表示预测值与真实值完全一致。R2和RMSE的表达式分别为

2 材料与实验

2.1 试验件制备

试验采用的CFRP多向层板为AC631/CCF800H双马来酰亚胺树脂基复合材料体系，预浸料铺层总数40，铺层（0°/±45°/90°）比例为40/50/10，采用热压罐固化工艺成型，固化后试验件名义厚度5 mm，单铺层厚度为0.125 mm。根据美国材料实验协会“测量纤维增强聚合物基体复合材料抗落锤冲击损伤的试验方法”标准（ASTM D7136）进行试验件加工制备，试验件尺寸为150 mm×100 mm，冲击点设置在试验件中心位置，试验件制备完成后进行超声C扫描初检，保证试验件不含初始分层损伤。

与传统金属材料相比，复合材料的物理和力学性能分散性较大，为保证试验结果具有可靠的统计学意义，共制备了30块CFRP层板试验件。首先，通过冲击试验引入不同程度的低能量冲击损伤，随后，采用相控阵超声对CFRP内部分层损伤进行定量表征，最后，对含损伤CFRP层板进行破坏性压缩测试，获得其冲击后压缩强度试验测量值。

2.2 CFRP冲击与冲击后压缩试验

冲击试验按照ASTM D7136标准实施，采用自主研发的落锤式冲击系统进行试验，系统同时配备防二次冲击控制和应力-应变实时监测装置。试验时将试验件置于冲击支持夹具中，并用橡胶压垫固定，采用直径16 mm的半圆形钢冲击头对试验件中心进行冲击，通过调节冲击能量的大小，在试样几何中心分别引入35 J和60 J两种冲击损伤。冲击完成48 h后，采用千分尺测量并记录试验件表面凹坑深度。

采集到损伤检测数据后，按ASTM D7136标准进行CFRP层板冲击后压缩试验，试验条件为室温干态，加载装置采用美国Instron综合材料试验平台。试验正式开始前，对试验件分5级施加压缩载荷，调整试验夹具在压缩平台上的位置，保证试验件受载均匀。试验正式开始后，以2 mm/min的加载速率连续加载至试验件破坏，同时测量各级载荷下的应变值，记录试验件的压缩破坏载荷和失效模式。CFRP层板试验件冲击后压缩强度σCAI按式（8）计算：

式中：Pmax为压缩破坏载荷；A为试验件的横截面积。

2.3 相控阵超声检测

通过冲击试验引入冲击损伤后，采用相控阵超声进行损伤成像和定量表征。相控阵超声检测系统如图4所示，主要包括相控阵超声主机、线性阵列轮式探头和笔记本电脑。相控阵超声主机为英国Sonatest公司研制的RapidScan 2相控阵超声检测仪，探头为AWP-05-128线性阵列轮式探头（中心频率5 MHz、阵元总数128）。相控阵超声采用纵波垂直入射和线性聚焦扫查，声束只聚焦不偏转，激活孔径设置为8，阵元步距设置为1，即每次通过软件控制激发8个阵元产生超声声束，从第1阵元到第128阵元依次移动激发。采集完成后将原始时域数据导出至笔记本电脑进行后处理和多模式损伤成像。

图4 相控阵超声检测系统Fig.4 Ultrasonic phased array testing system

3 结果分析与讨论

3.1 冲击损伤成像与损伤特征

图5 相控阵B扫描成像结果Fig.5 B-scan image of phased array ultrasonic testing

基于相控阵超声检测试验，图5给出了60 J冲击能量下CFRP试验件的相控阵超声B扫描成像结果，图中F表示试验件表面反射回波，B表示试验件底面反射回波，Di表示第i个分层损伤的界面反射回波。可以发现，在无损伤区域，底面反射回波清晰可见，且与表面反射回波间的图像分布均匀，在损伤区域，表面回波后出现多个分层损伤引起的界面反射回波，并逐渐向两侧扩展，此外，由于超声波在分层界面处近似于全反射，导致在分层界面反射回波后形成声波无法透过的声阴影区S。分析认为，CFRP试验件在冲击载荷作用下，首先在冲击点I0附近产生与冲击头直径大小相当的近表面分层，随着冲击能量沿试验件厚度方向传递，CFRP内部不同深度铺层位置逐渐产生新的分层损伤，且以冲击点I0为中心，分层损伤在厚度方向呈现出明显的金字塔状扩散分布特征。

为进一步分析CFRP在冲击载荷下的损伤特征，图6和图7分别给出了35 J和60 J冲击能量下两组CFRP试验件的相控阵声程C扫描图像，即分层损伤在铺层方向的二维分布和叠加面积投影。从图中可以发现，60 J冲击能量下的声程C扫描图像损伤面积较35 J冲击能量有所增大，但检测图像的损伤特征基本一致。以冲击能量60 J的声程C扫描成像结果为例，冲击点附近出现了明显的声程变化，在冲击区中心区域，超声界面反射回波的声程较短，分层损伤主要出现在试验件0.5~1.0 mm的厚度范围内，且面积较小；以冲击点为中心，冲击损伤深度和面积呈现沿周向逐渐增大和向外扩展的趋势，进一步体现了分层损伤在CFRP厚度方向的金字塔状扩散分布特征。此外，表1给出了同一冲击能量下，同组不同试样的最大分层面积对比，可以发现，由于复合材料固有的多铺层各向异性，导致冲击能量与损伤面积间并不是简单的一一对应关系，特别是冲击能量较低时，同组试验件的最大分层面积、分层损伤的取向和形貌均表现出了明显的离散性，进一步增大了CFRP冲击损伤精确定量表征及冲击后压缩强度预测的难度。

图6 声程C扫描成像结果（冲击能量35 J）Fig.6 Depth C-scan images of CFRP laminates （impact energy 35 J）

图7 声程C扫描成像结果（冲击能量60 J）Fig.7 Depth C-scan images of CFRP laminates （impact energy 60 J）

表1 不同试样最大分层面积对比Table 1 Comparison of the maximum delamination areas of different samples

3.2 冲击后压缩强度预测

基于1.2节中提出的损伤等效方法，分别对35 J和60 J冲击后试验件（各15件）的凹坑深度D0、最大开孔体积Vmax和等效开孔体积Vequ进行计算和统计，并按ASTM D7136标准进行CFRP层板冲击后压缩试验，记录试验件CAI实验测量值。

图8和图9分别给出了含35 J和60 J冲击损伤CFRP层板的压缩强度最小二乘线性拟合曲线和统计学指标。结果表明，在冲击能量较低时（35 J），CAI与凹坑深度、最大开孔体积及等效开孔体积均呈现明显的负相关，3种方法的拟合决定系数分别为0.63、0.78和0.91，均方根误差分别为10.31、7.36和4.34 MPa。当冲击能量较高时（60 J），CAI与凹坑深度相关性较差，与最大开孔体积及等效开孔体积依然呈现显著负相关，3种方法的拟合决定系数分别为0.12、0.82和0.87，均方根误差分别为9.87、4.56和3.06 MPa。

分析认为，在冲击载荷作用下，CFRP层板通过弹性变形和内部损伤吸收了大部分冲击能量，冲击凹坑难以反映试验件内部损伤状态，导致其拟合曲线的预测性能较差，而对于最大开孔体积法和等效开孔体积法，超声检测图像中包含了更为丰富的内部损伤信息，CAI预测结果也更为准确。对比最大开孔体积法和等效开孔体积法的预测结果可以发现，在低能量冲击损伤状态下，等效开孔尺寸法的决定系数和均方根误差明显优于最大开孔尺寸法，而在高能量冲击损伤状态下，二者的预测性能较为接近。分析认为，当冲击能量较低时，CFRP层板分层主要集中于试验件局部区域，不同位置的分层面积相差较大，最大开孔体积法过高估计了试验件损伤的损伤程度，导致预测结果较差，当冲击能量远高于CFRP层板的抗冲击阻抗时，冲击点附近出现严重的多铺层纤维断裂和基体破碎，甚至形成贯穿性穿透损伤，此时最大开孔体积与等效开孔体积相差不大，因此二者的预测性能较为接近。综上所述，无论是对于低能量冲击后压缩强度还是高能量冲击后压缩强度，本文提出的等效开孔体积法均具有较高的拟合相关性和预测精度。