纤维增强复合材料热成像损伤检测的细观建模及新热敏参数的研究

Embedded damage dection in composite materials attracts close attention. Thermography is one of most promising techniques among various non-destructive evaluation techniques.The micromichanism of thermography for damage assessment in fiber-reinforced composites will be investigated in the present work, based on micromechanics and theory of thermoelasticity. A thermal-mechanical model is developed to link thermal conductivity change to mechanical damage in fiber-reinforced composites with embedded defects using a three-dimensional shear-lag model. After that, effective data processing approach is proposed to derive quantitative relationships between thermal responses and machanical damages. Based on the above work, new thermal sensitives are proposed in order to provide more accurate estimation of the embedded damages in fiber-reinforced composites. . The performance of this project can help to understand the micromechanism on damage thermographic inspection in fiber-reforced composite materials and structures. The research results also help to improve the ability of thermography to indicate damage information more effectively and accurately, and to prompt further applications of thermography for damage assessment.

内嵌损伤的检测是复合材料损伤检测的难点问题。热成像技术是其中最主要的无损检测方法之一。本项目以复合材料细观力学和热弹性理论为基础，对纤维增强复合材料的热成像损伤检测的细观机理进行研究。基于三维剪滞模型，建立含损伤纤维增强复合材料的热力耦合模型，探讨纤维增强复合材料的损伤参量与材料的热传导性能之间的关系。在此基础上，采用有效的数据处理方法，使热成像损伤检测的热响应数据与损伤参量之间呈现敏感的定量关系，进而提出新的热敏参数，为纤维增强复合材料的损伤检测提供更为精确的识别。 . 本项目的开展将有助于深入认识纤维增强复合材料及其结构的损伤热成像检测的细观机理，为提高热成像损伤检测法的精度以及热成像法对内嵌损伤及缺陷的检测能力提供理论指导，使热成像损伤检测法获得更广泛的应用。

红外热成像技术具有传统超声检测的精度，兼具成本低、非接触、简便快捷且大面积扫描的优点。纤维增强复合材料的损伤多为浅表面的内嵌损伤，尤其适合采用热成像法进行检测。虽然热成像技术已被成功应用于检测各种缺陷与损伤，但在对热成像检测结果的解读上仍然存在困难。由于大多数纤维增强复合材料的机械损伤，都由细观缺陷发展而来。因此要对纤维增强复合材料及其结构的热成像损伤检测结果进行准确解读，需要从细观层面去建立损伤与热像信号之间的关系。. 本项目探讨了纤维增强复合材料损伤参量与热传导性能的关系，热成像检测的热敏参数以及热像数据的有效处理方法。主要研究内容如下：考虑热流沿纤维纵向和沿复合材料厚度方向传递两种情形，建立了表征纤维断裂数目与纤维纵向及材料厚度方向热阻变化率关系的细观模型，并将计算结果与有限元数值分析结果进行了对比。把分层损伤视作空气夹杂，建立了表征分层面积及厚度与材料厚度方向热阻变化率关系的细观模型，并将计算结果与有限元数值分析结果进行了对比。基于建立的细观理论模型，分析脉冲热信号作用下碳纤维增强复合材料样品表面的温度变化。制作含分层损伤的碳纤维复合材料试件，采用脉冲热成像方法进行检测，并对采集的热像运用改进的主成分法进行有效地数据处理。. 项目研究的重要结果如下：1）无论纵向热阻抑或厚度方向的热阻变化率均随纤维断裂数目的增大而线性递增，但纤维断裂对纵向热阻的影响较为显著，而对厚度方向热阻的影响很小；厚度方向的热阻随分层面积比或分层厚度比的增大而线性增大。因此复合材料的等效热阻可作为纤维断裂以及分层损伤的识别指标——热敏参数。2）若损伤参数不变，纤维断裂引起的纵向热阻变化率、分层损伤引起的厚度方向热阻变化率均随着纤维体积组分比、纤维/基体导热系数比的增大而显著增大。3）在脉冲热信号作用下，纤维断裂和分层损伤在样品背面均形成暗区，且热对比度对纤维体积组分比的变化非常敏感。4）采用改进后的主成分法不仅能较好地识别分层损伤的大小、位置及深度，还能消除由于加热不均匀引起的噪音，提高检测的信噪比。. 本项目的研究结果有助于正确解读纤维增强复合材料的热成像损伤检测结果，为提高热成像法对纤维增强复合材料内嵌损伤的检测效果提供理论指导,促进热成像损伤检测的推广应用。