铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究

超声红外成像检测技术是一种发展迅速的新型无损检测技术,可用于检测材料表面或近表面的缺陷,由于对缺陷具有选择性加热的特点,近年来备受检测行业的关注。该文在铝合金板中制作疲劳微裂纹,在板中激励声波,裂纹表面因振动摩擦生热,用红外摄像仪记录板表面温度分布。拍摄的红外图像序列经傅里叶变换后得到的幅值和相位图能清晰显示裂纹的特征,测量到的裂纹长度误差达到4.3%。用有限元模拟超声在板中裂纹处的生热过程,研究板中超声在裂纹处的励热机制。超声激励时间、裂纹表面间摩擦系数和裂纹开口宽度直接影响裂纹处的励热效果,最高温度通常位于裂纹尖端附近。模拟和实验结果均表明超声红外成像检测技术能对板中疲劳微裂纹实现快速检测,提供有效、可信的检测结果。     

128× 128 InSb探测器结构模型研究

热冲击下红外焦平面探测器的高碎裂概率制约着其成品率.为明晰碎裂机理, 基于等效设想, 利用小面阵等效大面阵解决了128×128面阵探测器三维结构建模所需单元数过多的问题, 同时综合考虑材料线膨胀系数的温度依赖性、材料强度的各向异性、表面加工损伤效应, 合理选取InSb材料性能参数, 建立起128×128面阵探测器结构有限元分析模型.模拟结果表明:热冲击下最大Von Mises 应力值出现在N电极区域, 其极值呈非连续分布, 这意味着热冲击下128×128面阵探测器的裂纹起源于N电极区域, 且不止一条.上述结论与碎裂统计分析报告中典型裂纹起源地及裂纹分布这两方面相符合, 这为后续面阵探测器碎裂诱因的研究及结构可靠性设计提供了切实可行的研究思路．     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

基于涡流脉冲相位热成像的金属材料裂纹检测

涡流热成像可以对金属材料表面、近表面缺陷进行快速准确的检测。采用涡流热成像与脉冲相位分析相结合的方法,针对裂纹附近相位谱的分布规律及温度场对相位谱的影响关系问题,分别对带有上表面裂纹和下表面裂纹的45#钢料进行感应加热仿真和实验分析。结果表明,相位谱分布与温度大小无关,只与温度变化趋势有关,相位谱图对不均匀加热有很好的抑制作用,可以扩大裂纹的检测范围,当频率低于12.5 Hz时能够清晰地识别裂纹。结合实验验证了仿真结论的正确性,为下一步利用相位信息实现缺陷的定量检测提供参考。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

钢轨踏面的空气耦合超声检测方法*

该文针对钢轨踏面浅表面裂纹提出非接触空气耦合超声类瑞利波的检测方法。首先利用半有限元法求解了CHN60型钢轨的振动模式,抽出了钢轨轨头踏面的振动模态结构和频散曲线,并搭建实验系统,根据Snell法则和声源在空气中的声场分布确定了检测参数,最后从理论和实验两方面着手对钢轨踏面浅表面裂纹的有无及裂纹大小进行了实验分析和数值计算,其结果非常吻合,证明了空气耦合超声导波检测方法的可行性和可靠性。     

复合材料冲击损伤监测的概率成像方法*

复合材料在制造、使用和维修过程中不可避免的受外来意外物体的低速冲击,造成结构的损伤。材料本身存在各向异性、纤维铺层方向误差等复杂结构特性,导致延迟-累加损伤成像方法难以实现冲击损伤的准确检测。针对这一问题,本文采用了一种与信号传播速度无关的损伤概率成像方法,该方法利用能量损伤因子,将各路径周围的像素点以椭圆分布的形式对损伤进行概率化表述,然后对各路径损伤因子进行合成成像,实现了复合材料冲击损伤的准确监测。实验结果表明,利用能量损伤因子可以监测复合材料冲击损伤,利用损伤概率成像方法可以实现冲击损伤位置的判别。     

基于激光扫描热成像技术的电感裂纹检测

针对铁氧体电感表面裂纹和隐含裂纹的检测,传统机器视觉方法存在裂纹成像模糊,识别率偏低等问题。提出了一种基于激光扫描热成像技术的电感器裂纹检测方法。使用热像仪捕捉样品表面的温度变化,并基于二阶微分算法进行图像合成;使用轮廓提取算法去除外围轮廓的干扰和次大值滤波均匀图像,使用边缘检测对裂纹进行提取;最后利用裂纹的面积和长宽比并结合图像的HOG特征当作输入特征,使用支持向量机进行图像识别。结果表明,对于所有的裂纹都能正确成像,裂纹识别正确率达到98.5%,其性能优于其他检测算法。     

LY2铝合金激光冲击处理工艺

为了提高LY2铝合金疲劳寿命,探索了用激光冲击强化方法处理LY2铝合金的技术。使用流水约束层和铝箔涂层,利用波长为532 nm,脉宽为10 ns,能量为5 J,光斑直径为3 mm的YAG激光器对LY2试样进行了激光冲击强化处理。结果表明:经激光冲击强化后LY2铝合金疲劳寿命提高1.1倍。对激光冲击强化后的试件断口分析结果表明激光冲击的强化作用抑制了裂纹在试件表层的萌生和扩展,从而提高了材料的疲劳寿命。     

强激光冲击铝合金改性处理研究

利用新型聚偏1.1-二氟乙烯（PVDF）压电传感器,实现了对激光引发的冲击波压力的实时测量,得到激光引发的冲击波峰压在铝中成指数型的衰减规律;观测了不同约束层材料在铝靶表面产生的激光冲击波,研究了不同约束层对冲击效果的影响;最后用激光冲击强化装置对7050-T7451航空铝合金结构材料进行了冲击强化处理,对试件激光冲击区存在的残余压应力及位错密度进行了测量。结果显示经激光冲击处理的试件表面具有极高的残余压应力,可达-200MPa以上。激光冲击处理后铝合金的位错密度得到显著的提高,疲劳寿命提高到175％～428％。这些重要结果对激光冲击改性处理技术的实际应用具有指导性作用。     

A microstructure model for finite-element simulation of 3D rectangular braided composite under ballistic penetration

The non-delamination feature of 3D braided composites under transverse impact leads to their potential application in the field of ballistic impact protection. One of the effective ways to investigate the ballistic impact damage of the 3D braided composite is to simulate the penetration process by numerical method, such as finite element method. However the numerical simulations of ballistic impact damage are seldom conducted based on the microstructure level. This paper presents a microstructure model for simulating ballistic impact damage of 4-step 3D braided rectangular composite penetrated by a rigid steel projectile. The microstructure model is based on the same yarn spatial configuration with that of the braided composite and also on the assumptions of the braided yarns appear straight inside the braided preform, bending and then change to other directions only at the surface. The ballistic perforation of the braided composite specimen by a cylindrical-conically steel projectile has been simulated with finite element method. The comparisons between FEA and experimental results show the validity of the microstructure model, especially for the penetration resistance and impact damage of the composite. Compared with the other continuum models of the braided composite, the microstructure model can simulate impact damage more precisely. The velocity history and acceleration history of projectile, and impact damage development of the composite in FEM simulation indicate the different damage and energy absorption mechanisms of the braided composite compared with those of laminated composite.     

表面划痕中残余抛光颗粒对材料热损伤特性的影响

建立了高功率激光辐照下光学表面存在划痕且残存抛光颗粒时的热损伤分析模型,对这种复杂缺陷条件下的光学材料热损伤性能进行了研究。利用有限差分法计算了不同尺度抛光颗粒处于划痕中不同位置时光学材料表面的光场调制和温度场的分布。根据表面温度分布,得到了对应条件下光学材料的热损伤阈值变化规律。结果表明:除了抛光颗粒半径对材料损伤阈值存在影响外,当抛光颗粒位于划痕宽度方向不同位置时,材料的热损伤阈值也会有比较明显的变化;当位于划痕中心时,抛光颗粒对材料光场调制最强,更容易造成材料的熔化损伤。     

The electron beam irradiation damage on nanomaterials synthesized by hydrothermal and thermal evaporation methods--an example of ZnS nanostructures

Using transmission electron microscopy-related techniques, we have compared the degradation behaviors of several different types of ZnS nanostructures, including the ZnS nanosheets synthesized by hydrothermal method (with different oxygen impurity concentration) and ZnS nanobelts grown using thermal evaporation. We have identified that displacement damage, sputtering, and oxidation mechanisms exist during the electron irradiation process. While oxidation of the nanostructure is always observed, displacement damage appears to be the dominant mechanism contributing to the final structural collapse of ZnS nanosheets (synthesized via hydrothermal methods), but sputtering mechanism becomes critical in changing the surface roughness of the ZnS nanobelts (grown by thermal evaporation). The specific damage mechanisms of these nanomaterials disclose that different synthesis process results in different structure quality (particularly impurity related interior defects) of the ZnS nanostructures, which determines their specific degradation behaviors under the electron beam irradiation.     

贴片晶振在冲击环境下的损伤边界

贴片式石英晶体振荡器广泛应用于各类电子和通信设备系统中。针对晶振在冲击环境中容易出现结构破坏而导致系统工作异常的问题,通过分析单自由度系统在不同频率冲击载荷作用下的响应特点,建立了结构的应力响应水平与相关冲击响应谱谱值之间的联系,获得了较已有结论更合理的损伤边界形式。根据典型晶振结构易损组件的力学特性建立对应的简化分析模型,得到了贴片晶振在大频率范围内的结构损伤边界。利用有限元仿真软件,对晶振结构在0.5~30 kHz频率范围内冲击载荷下的响应进行仿真分析,验证了该损伤边界的有效性。这也为以贴片晶振为代表的微小元器件在冲击环境下的可靠性研究提供了一种可行的方法。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明:皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

碳纤维-泡沫铝夹芯板低速冲击响应

为研究夹芯结构的低速冲击响应,以碳纤维(T700)/环氧树脂复合材料层合板为上下面板,以闭孔泡沫铝为芯层,模拟夹芯板落锤冲击时的损伤演化过程。复合材料层合板采用三维实体单元建模,基于有限元软件ABAQUS中的用户子程序VUMAT,引入三维Hashin失效准则模拟复合材料的损伤破坏;采用二次应力准则,Cohesive单元模拟黏结层的层间失效;闭孔泡沫铝芯层采用3D Voronoi细观模型建模。分析复合材料夹芯结构在落锤冲击下的损伤起始、损伤扩展和最终破坏模式,通过锤头的接触力、位移、夹芯板的内能、后面板的最大位移研究夹层结构的能量吸收情况及抗冲击特性,得出了在质量保持不变的情况下,5种芯层相对密度和厚度的耦合关系中的最优设计是芯层相对密度15.0%,厚度为10 mm,为满足实际工程中的需求提供了设计依据。     

The effect of laser beam size on laser-induced damage performance

The influence of laser beam size on laser-induced damage performance, especially damage probability and the laser-induced damage threshold (LIDT), is investigated. It is found that damage probability is dependent on beam size when various damage precursors with different potential behaviors are involved. This causes the damage probability and the LIDT to be different between cases under a large-aperture beam and a small-aperture beam. Moreover, the fluence fluctuation of the large-aperture laser beam brings out hot spots, which move randomly across the beam from shot to shot. Thus this leads the most probable maximum fluence after many shots at any location on the optical component to be several times the average beam fluence. These two effects result in the difference in the damage performance of the optical component between the cases under a large-aperture and small-aperture laser.     

Initial damage induced by thermal residual stress and microscopic failure analysis of carbon-fiber reinforced composite under shear loading

In order to study the mechanical properties and the progressive failure process of composite under shear loading, a representative volume element (RVE) of fiber random distribution was established, with two dominant damage mechanisms – matrix plastic deformation and interfacial debonding – included in the simulation by the extended Drucker–Prager model and cohesive zone model, respectively. Also, a temperature-dependent RVE has been set up to analyze the influence of thermal residual stress. The simulation results clearly reveal the damage process of the composites and the interactions of different damage mechanisms. It can be concluded that the in-plane shear fracture initiates as interfacial debonding and evolves as a result of interactions between interfacial debonding and matrix plastic deformation. The progressive damage process and final failure mode of in-plane shear model which are based on constitute are very consistent with the observed result under scanning electron microscopy of V-notched rail shear test. Also, a transverse shear model was established as contrast in order to comprehensively understand the mechanical properties of composite materials under shear loading, and the progressive damage process and final failure mode of composite under transverse shear loading were researched. Thermal residual stress changes the damage initiation locations and damage evolution path and causes significant decreases in the strength and fracture strain.     

基于声发射的光学元件损伤监测方法研究

光学元件损伤是限制激光通量水平提高的重要因素之一。为快速、准确地检测光学元件损伤是否产生,支撑光学元件循环修复策略的使用,研究并提出了基于声发射技术的光学元件损伤检测方法,通过研究光学元件损伤产生的声发射信号特征,判断光学元件是否发生损伤,使用一种基于二次相关和相关峰精确插值（FICP）的时延估计算法,通过仿真验证了该算法的可行性,结合时差定位原理建立了损伤位置求解方法,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能从监测信号中快速地获得损伤的位置估计,其平均定位误差为8.61 mm,计算时间为0.143 s/次,对大口径光学元件的损伤在线监测具有应用潜力。