《武汉工程大学学报》 2016年06期
583-587
出版日期：2016-12-15
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
复合材料气瓶分层缺陷的红外检测数值模拟
1 引 言复合材料气瓶由于其使用特点而长期处于交变载荷作用之下，属于全复合材料的疲劳高压容器，疲劳损伤是影响气瓶安全使用的重要原因之一［1-3］. 复合材料气瓶缠绕层的作用为承受气瓶内压，这对气瓶在使用过程中的安全具有很大的影响. 而复合材料气瓶缠绕层内的疲劳损伤主要为缠绕层分层. 由于复合材料气瓶疲劳断裂过程在宏观形貌上没有明显的变形，这就给疲劳损伤的发现带来极大困难，因此必须采用无损检测技术对复合材料气瓶缺陷进行检测.目前，行业标准NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》中简要介绍了射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等9种承压设备无损检测方法.但这几种无损检测方法难以对复合材料气瓶缠绕层的分层缺陷进行检测.相对于其他无损检测技术，红外检测技术具有快速、非接触、无需耦合、大面积、实时、远距离检测等优点，非常适用于复合材料气瓶分层缺陷的检测. 但由于目前国内外对红外检测技术的研究大多集中应用在对金属材料气瓶的检测上，对复合材料气瓶检测的研究还不够深入，这严重影响了红外检测技术在结构可靠性分析上的推广应用. 故将采用红外检测技术对复合材料气瓶缠绕层分层缺陷进行模拟分析，为缠绕层结构可靠性分析提供依据［4-6］. 2 模型建立和模拟过程 2.1 模型建立以内胆材料为30CrMo合金，缠绕层材料为E玻璃纤维-环氧树脂［7-9］的复合材料气瓶作为研究对象，其缠绕层分层缺陷设置为嵌入缺陷片形式，缺陷片材料为聚四氟乙烯，缺陷形状为圆柱形缺陷，红外模拟环境温度25 ℃［10-11］. 因气瓶模型为轴对称结构，故采用气瓶模型的四分之一进行建模，以提高计算效率. 该复合材料气瓶的几何尺寸如表1所示，材料热物性参数如表2所示［12］. 因复合材料气瓶模型为轴对称结构，故采用气瓶模型的四分之一进行建模，如图1所示. 2.2 模拟过程采用Full Newton Raphson（全牛顿-拉普森）方法进行模拟求解. 模拟工况在室温下进行，初始温度和参考温度设定为25 ℃. 在加热过程中时间步长为0.002 s，加热时间为0.1 s；冷却过程中时间步长为0.01 s，冷却时间为15 s. 由于复合材料气瓶模型为轴对称结构，故将模型轴对称面边界条件设置为绝热，非轴对称面与空气接触，按对流传热求解［13-15］. 采用热流密度为热载荷，将恒定的热流密度加载到检测面，采用脉冲加热方式，加热强度为5.0×105 W/m2. 设置好后，分别取：①当缺陷厚度M、缺陷深度H不变时，缺陷直径D变化；②当缺陷直径D、缺陷厚度M不变时，缺陷深度H变化；③当缺陷直径D、缺陷深度H不变时，缺陷厚度M变化3种工况进行模拟. 将分析结果保存到rth文件，并提取缺陷处和非缺陷处对应表面节点温度进行分析，对比不同工况下对热像温度差和热像对比度的影响. 3 模拟结果与分析 3.1 缺陷直径对热像温度差和热像对比度的影响设定缺陷厚度M = 0.2 mm，缺陷深度H=0.6 mm，缺陷直径D=2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm进行模拟. 模拟结果分析如图2、图3所示. 由图2~图3可知，随着缺陷直径D的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值也随着增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值的出现时间有小幅度延迟. 3.2 缺陷深度对热像温度差和热像对比度的影响设定缺陷直径D=3 mm，缺陷厚度M=0.2 mm，缺陷深度H =0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、1.0 mm、1.6 mm进行模拟. 模拟结果分析如图4、图5所示. 由图4~图5可知，随着缺陷深度H的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值越来越小. 当缺陷深度H越大，热像温度差峰值和热像对比度峰值出现的时间也越晚. 3.3 缺陷厚度对热像温度差和热像对比度的影响设定缺陷直径D =3 mm，缺陷深度H=0.6 mm，缺陷厚度M = 0.2 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm进行模拟. 模拟结果分析如图6、图7所示. 由图6~图7可知，随着缺陷厚度M的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值也变大，但当厚度M超过一定范围后，温度差峰值和对比度峰值逐渐趋于恒定值. 4 结 语笔者利用有限元方法对含分层缺陷的复合材料气瓶进行红外模拟分析. 通过对不同缺陷直径D、缺陷深度H、缺陷厚度M的分层缺陷红外模拟分析，得出以下结论： 1）随着缺陷直径D的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值也随着增大，这说明分层缺陷越容易被检测出. 当缺陷直径D增大到一定程度后，热像温度差峰值和热像对比度峰值曲线趋于平缓. 2）随着缺陷深度H的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值与深度H呈反比关系，这说明分层缺陷深度越小时，缺陷越容易被检测出. 并且随着缺陷深度H的增大，热像温度差峰值点和热像对比度峰值点出现时间延迟，这说明当缺陷深度H越大时，最佳检测时间越长，理论检测灵敏度越低. 3）随着缺陷厚度M的增大，热像温度差峰值和热像对比度峰值越来越大，这说明分层缺陷厚度越大时，缺陷越容易被检测出. 随着缺陷厚度M增大到一定程度后，热像温度差峰值和热像对比度峰值曲线趋于平缓.