CFRP层板缺陷与铺层方向的红外热波雷达成像检测技术研究

摘要

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）具有高比强度、高比模量、疲劳特性好等优良性能，已广泛应用于航空、航天、石油化工、汽车、风力发电及军事工业等领域。CFRP层板在成型与使用过程中，受成型工艺与工作环境的影响，易产生孔隙、冲击损伤、纤维断裂、分层、脱粘等缺陷，人工铺层CFRP层板容易出现纤维层错铺等问题。CFRP层板缺陷或纤维层铺错将严重影响CFRP层板制件的使用性能及寿命，在生产过程中迫切需要简单、有效、快速的无损检测方法或技术实现对CFRP层板缺陷与铺层方向的可靠检测。红外热波雷达成像检测技术将红外热波成像检测与雷达探测技术相结合，可有效提高热波信号的带宽和信噪比，具有抗干扰能力强、检测范围大、检测灵敏度高等优势，为CFRP层板缺陷与铺层方向检测提供了一种新方法，因此，本文对CFRP层板缺陷与铺层方向的红外热波雷达成像检测技术开展了系统深入的研究。
　　研究了线性调频（Chirp调制）面热流作用CFRP层板的热传递过程及温度场分布，通过数值仿真分析确定了热波雷达信号的时频域响应特征，并提出了基于希尔伯特变换瞬时特性时域积分与双路Chirp锁相相关的热波雷达信号特征提取算法。分析了检测参数与缺陷几何特征对热波雷达信号特征的影响与规律；探讨了红外热波雷达成像检测铺层方向的可行性，仿真分析了检测参数与铺层方向对热波雷达信号特征分布的影响与规律，为开展相关试验研究工作提供理论基础。
　　搭建了调制激光激励的红外热波雷达成像检测系统，实现了对CFRP层板缺陷与铺层方向的高效、可靠检测。通过检测试验，研究了检测参数、缺陷几何特征与铺层方向对热波雷达信号响应特征的影响规律，分析了各种特征提取算法（相关算法、瞬时特性时域积分与双路Chirp锁相相关）的优势，验证了仿真分析结果的正确性，确定了合理的检测参数范围。
　　依据无损检测POD（Probability of Detection）分析理论与方法，对红外热波雷达成像检测CFRP层板缺陷的POD水平开展了相关研究工作。提出了红外热波雷达成像无损检测技术的缺陷判定准则，分析了检测参数、特征提取算法对POD水平的影响规律，获得了不同缺陷判定阈值下，红外热波雷达成像检测CFRP层板缺陷的POD数据，为红外热波雷达成像检测技术的工程应用提供了有力依据。
　　开展了红外热波雷达成像检测CFRP层板缺陷与铺层方向的识别方法研究，提出了基于有限元模型修正与数值优化技术的CFRP层板缺陷与铺层方向的识别方法。采用基于模拟退火算法与Nelder-Mead算法的混合算法实现了CFRP层板缺陷直径与深度的识别，对于直径在8~12mm，深度在0.6~2.0mm范围内的模拟层板缺陷，直径与深度的预测误差均小于6％；探讨了所提出的识别方法检测铺层方向的可行性，研究表明该方法可实现7层CFRP层板铺层方向的识别，铺层角度最大预测误差小于6°。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 CFRP层板缺陷与铺层方向检测的研究现状

1.3 红外无损检测技术的研究现状

1.4 研究现状评述

1.5 本文的主要研究内容

第2章 Chirp热流作用CFRP层板的热波雷达信号仿真与特性分析

2.1 引言

2.2 CFRP层板缺陷红外热波雷达成像检测的数值仿真分析

2.3 CFRP铺层方向红外热波雷达成像检测的数值仿真分析

2.4 本章小结

第3章 CFRP层板缺陷与铺层方向的红外热波雷达成像检测试验研究

3.1 引言

3.2 红外热波雷达成像检测系统

3.3 CFRP层板缺陷红外热波雷达成像检测试验结果及分析

3.4 CFRP铺层方向红外热波雷达成像检测试验结果及分析

3.5 本章小结

第4章 红外热波雷达成像检测CFRP层板缺陷的POD分析

4.1 引言

4.2 无损检测POD分析方法

4.3 模拟缺陷试样设计与红外热波雷达成像检测结果

4.4 连续信号响应法POD计算结果及分析

4.5 Hit/miss法POD计算结果及分析

4.6 本章小结

第5章 基于有限元模型修正的CFRP层板缺陷与铺层方向的识别

5.1 引言

5.2 CFRP层板缺陷与铺层方向识别方法

5.3 CFRP层板缺陷尺寸与深度的识别

5.4 CFRP铺层方向的识别方法研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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