● 摘要
蜂窝夹层结构复合材料由于其强度-重量比高，抗疲劳性能好，制造成本低等优势，在飞机制造中所占的比例越来越大。然而，其中空的结构对液体的浸入非常敏感，积水、积油是其典型的缺陷类型。飞机机身蜂窝结构材料中存在少量凝结水通常是允许的，但当尾舵、机翼等关键部位的蜂窝结构材料中出现少量的渗漏液压油时，却可能意味着严重的机械故障，当然，蜂窝结构中的大量积水也会增加结构重量，腐蚀蒙皮与蜂窝核之间的胶层，危及飞行安全。因此，需要一种即能有效识别液压油与贮水，又能定量测量渗入液体量的实用无损检测方法。脉冲红外热波检测技术，具有非接触、快速等优点，在复合材料的检测中具有独特的优势，也被证明是探测蜂窝结构内部积水、积油的有效手段。本论文针对飞机蜂窝结构材料内部渗入液体的识别与定量测量的无损检测需求，利用反射式脉冲激励红外热波检测方法，研究蜂窝结构中蒙皮/水、蒙皮/油以及不同液体量界面与脉冲热源的相互作用差异，从理论和算法上寻找答案，展开了一系列的研究工作：首先，分析瞬时面热源作用下一维热传导理论模型，求解热传导微分方程，得到了无限厚区域（非缺陷处）与有限厚区域（缺陷处）表面温场表达式，建立了利用红外热波技术进行探伤的基本思想；讨论了红外检测中需要考虑的红外辐射相关的定律、特性，分析了实际检测中热像仪工作波段的选取、被检物表面红外发射率等影响因素，从理论上指导实验条件的优化方案。其次，通过分析第二层介质无限厚的双层介质的一维热传导理论模型，得到被检物表面下不同异物的温场表达式；针对异物识别的问题，提出了对数曲线分离和温差曲线两种方法，并讨论了两种方法的优缺点；利用一块不锈钢平底孔试件，预埋水、油、蜡等物质，对缺陷识别方法进行预研究；设计制作玻璃纤维蒙皮与铝蒙皮蜂窝结构试件，并在不同区域注入水、油，进行液体识别研究。对数曲线分离法可以实现对液体类型进行定性区分，进一步利用对数曲线中前几帧数据拟合出基体曲线，根据温差算法计算出水和油的热反射系数R。结果表明该方法能够有效地识别蒙皮下不同液体属性，其中玻璃纤维蒙皮下水和油的热反射系数R相差较大，且异号，在实际工程应用中较易识别；铝蒙皮蜂窝试件由于热导率高，水和油的热反射系数R相差较小，但结果仍能有效地识别铝蒙皮下的不同液体。ANSYS有限元模拟实验，利用识别算法处理模拟数据计算R值，并与理论值、实验值进行比较，发现三者基本吻合，验证了识别算法的可靠性。再次，进一步求解脉冲热源作用下第二层介质有限厚的双层介质的一维热传导微分方程，得到表面温场与第二层介质厚度的关系式。利用不锈钢平底孔试件对水量测量方法进行预研究，提出定量测量算法，即将满水孔（看做水层无限厚）的表面温度作为参考，有限水量平底孔的温度减去满水的温度得到温差数据，然后将温差数据乘以时间的平方根得到f—时间曲线。通过预设f为某一特征值v0，得到其对应特征时间与水层厚度平方具有线性关系：t0=A+Bd2。实际应用时，首先确定f的特征值v0，提取不同水量对应的特征时间t0，根据t0与d2的线性关系进行定量测量研究。实验结果的t0-d2曲线显示,当水量小于某一特定值时，t0与d2有很好的线性关系，与理论公式所描述的相吻合。而当水量大于某一特定值后t0的值几乎不再随d2的变化而变化。提取线性部分的截距A和斜率B，计算A/B的值与理论值进行比较，发现两者基本吻合。实际蜂窝结构试件的液体量测量，同样以满水（油）蜂窝对应降温曲线作为参考，根据上述算法对实验数据进行处理，结果与不锈钢平底孔的结果非常相似: 液体量小于某一阈值时可以进行定量测量，当液体量超过阈值时由于热波反射信号太弱而无法进行测量。文中通过讨论飞机蜂窝结构材料的无损检测需求，发现这种有限的测量方法正好可以满足该类材料内部渗入液体定量测量的检测需求。利用ANSYS有限元模拟液体量测量实验，并与理论和实验结果进行比较，验证了定量测量算法。