锁相加热红外无损检测有限元模拟及分析VIP免费

第32卷第2期2008年4月元损探伤NDTV01．32No．2April．2008领捆翱熟纽芥嚣损渣测葡熙晁旗拟覆努折郭杏林穆玉伟(大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：锁相热成像是一种应用越来越多的无损检测技术。为了更好的进行锁相红外无损检测，必须全面了解物体内部结构改变对表面相位的影响，更准确地得到锁相红外无损检测各参数设置。本文通过有限元分析方法模拟了锁相加热红外无损检测过程，重点分析了频率对锁相加热红外无损检测的影响，并用法国CEDIP红外成像系统进行实验验证，为进一步进行定量化锁相红外无损检测提供借鉴。关键词：锁相；红外热成像；无损检测；有限元分析中图分类号：TGll5．28文献标识码：A文章编号：1671-4423(2008)02-01—05近几年，锁相热成像技术已经越来越多地用于近表面缺陷无损检测。锁相热成像使用红外热像仪来检测物体表面返回热波，然后产生热像图，热像图能显示物体表面热波相位和振幅的改变。由于热波对材料接触面很敏感，所以锁相热成像可以用来检测近表面缺陷，确定材料属性，测量覆盖层厚度，是通用的无损评估(NDE)技术，特别适用于检测复合材料结构[1]。在锁相红外无损检测中，频率设置是检测过程中一个关键环节，频率适合与否直接关系到检测是否成功。对一些简单情况，利用一些预先植入缺陷样品确定检测参数是可能的，然而对大多数情况来说，由于被检物体及其缺陷的多样性，单纯通过实验方式进行定量分析存在一定局限性，如分层和空隙缺陷是很难模仿的，这就需要使用数值模拟方法对缺陷结构进行重建，确定最佳检测参数，可靠高效地为检测提供依据。1检测机理锁相(Dock—in)加热又称为调制加热(Modulate)。与脉冲加热不同的是，锁相加热红外无损检测使用强度按周期规律变化的热源对被检物体持续进行热激励(图1)，同时用热像仪采集加热周期特定时刻的多幅热像图，由于被测物中有缺陷区域和无缺陷区域的热物理性质不同，根据热传导理论，将产生不均匀热流，从而造成被测物有缺陷区域与无缺陷区域对应表面温度幅值和相位不同，于是可以判定缺陷是否存在‘纠。田1镪相加热梗翌2数学模型W．Bai和B．S．Wong于2000年提出了如下热像模型来模拟缺陷‘3。，如图2所示：把一个调制平面热源加在平板前表面。热源的热流密度是譬[1+c08(wt)](1)式中弛一热源强度埘一热源调制角频率．t一时间匕!竺!!＆&_t．．．．．．．．_．空气1一E．．．．．．．．‘0·‘=EI_■2簟晨模盈示■圈万方数据2无损探伤第32卷在自然环境中检测样品时，会有一个或多个样品表面暴露在空气中，只考虑样品前表面和后表面暴露在空气中的情况，样品被看作不透明、均匀一致、有限厚度L、无限大的平板，前表面承受热流密度譬I-1+cos(Wt)]的周期热载荷。在平板中，温度扩散遵守一维傅立叶传导定律，即：。万92T一譬等=0(2)式中愚一介质的热传导率JD一介质密度c一介质比热z一距离表面的垂直距离，z=0为上表面三≥z≥0t≥0导热边界条件为：一量罢=譬[1+c。s(似)]一^，(T／一T。)(3)式中乃一前表面温度丁。一周围环境温度^，一前表面热对流系数z=0一五芸=hr(L一几)(4)式中L一后表面温度。’几一周围环境温度^，一后表面热对流系数z=Lt>0提取表面温度变化的周期部分t(o)，其相位妒为：妒=ArgT,(O)(5)把存在缺陷的物体看作一个分层结构。例如，用一个多层平板来模拟含有缺陷的结构(图3)，平板包含，1种不同的介质，分别为1到行，用平面分界面分离不同介质(在z；z。，z。’．．·，z。一。)。系统的热物性：导热系数k，，密度B，比热白和热扩散率a,-(f=1，2，．．·，雄)。使用一个平面调制热源给介质1的自由表面加热。热源热流密度是譬[1+c08(wt)]。当在介质中达到稳定状态时，每一层温度扩散遵守一维的傅立叶传导定律：％，2【塑气介质1介质2介质i介质。田3多层热像模型圈弩一譬孚；0(6)犯‘‰甜’～(五≥o≥Xi—li=1，2，⋯，牡．TO=0)上述正是介质i的温度，导热边界条件如下：(a)在最上层，导热边界条件为：吨鲁=缸1+cos(wt)]呐(巧一几)(7)(z‘=0)(b)在两种介质的接触面，边界条件为：ki石9Ti一五州百oTi+l·(8)(z；而i=1，2，⋯，，l一1t>0)瓦+l—Ti=R讲...