Z-pin增强复合材料结构缺陷的红外检测技术研究

摘要

Z-pin增强技术通过在未固化层合结构中植入适量体积分数的Z-pin（0.5%~4.0%）来提高复合材料的层间断裂韧性。该技术对复合材料面内性能影响较小且能大幅度提高复合材料的层间性能，实用性高且成本较低，因而得到了广泛关注。在 Z-pin植入与后固化过程中，由于工艺的不稳定性，得到的复合材料结构不可避免的会存在各种类型的缺陷，对其进行无损检测是保障其质量的重要方法。本研究基于红外热像无损检测技术，采用实验与仿真技术相结合的方法分析了Z-pin增强复合材料典型缺陷对其传热性能的影响，针对红外热像图边缘模糊和Z-pin结构的特点，应用不同算法研究了缺陷边缘细节强化技术。本研究主要工作如下：
　　（1）通过自制Z-pin增强复合材料与破坏性试验，研究了Z-pin增强复合材料在制造与服役过程中出现的典型缺陷与损伤，并对其结构缺陷与损伤的红外检测可行性进行了分析。
　　（2）本研究以Z-pin增强碳纤维复合材料层合板为检测对象，采用有限元软件ANSYS高级分析技术APDL建立了含不同缺陷类型的有限元模型，通过提取最大温差与最大对比度等可检测信息参数，分析了不同尺寸富树脂区、不同深度的断裂缺损Z-pin、不同倾斜程度的Z-pin对层合结构整体导热行为及其表面温度分布的影响，有限元模拟结果为进一步的检测实验提供了技术支撑与理论支持。
　　（3）应用红外热像无损检测技术对自制带有不同缺陷类型的Z-pin增强碳纤维复合材料层合板试件进行了检测研究。检测结果表明：红外热像无损检测技术对 Z-pin增强复合材料典型缺陷具有良好的检测效果，缺陷较为清晰，该技术可应用于 Z-pin增强复合材料结构的无损检测中。
　　（4）针对红外热像图边缘模糊、噪声干扰大的特点，应用不同算法对缺陷边缘进行了强化处理，研究了一种基于缺陷中心点灰度阈值的旋转边缘跟踪增强技术。结果表明：该算法在边缘强化处理方面优于传统的经典微分算子，缺陷定位准确、轮廓清晰、边缘闭合性好。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 Z-pin增强复合材料简介

1.3 三维增强复合材料及其检测技术研究现状

1.4 课题研究的内容及意义

第二章 红外热像无损检测系统及其原理

2.1 红外热波成像技术

2.2 红外热像无损检测技术

2.3 红外检测的主要特征值

2.4 红外热像检测技术的应用

2.5 本章小结

第3章 Z-pin增强复合材料红外检测的温度场分析

3.1 有限元热分析基本理论

3.2 Z-pin复合材料红外检测的模拟对象

3.3 Z-pin复合材料热波检测的有限元模拟过程

3.4 有限元模拟结果分析

3.5 本章小结

第4章 Z-pin增强复合材料缺陷的红外检测实验

4.1 检测系统的构成

4.2 试件的设计与制作

4.3 检测结果分析

4.4 实验结果与仿真结果的对比分析

4.5 本章小结

第五章 Z-pin增强复合材料边缘细节强化技术研究

5.1 边缘检测的基本原理

5.2 经典边缘检测算子

5.3 边缘检测的基本步骤

5.4 基于缺陷中心点灰度的边缘跟踪检测技术研究

5.5 边缘检测结果分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表论文及科研成果

在学期间主要参加的科研项目