CN110779960B - 基于电阻变化的cfrp损伤检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电阻变化的碳纤维增强复合材料损伤检测方法，通过在碳纤维增强复合材料板上布置若干个检测电极，并通过电极对组合检测方式得到板材在钻孔前后的电阻值，计算出电阻变化率；然后将复合材料板在坐标系内离散成若干个点，计算各点到各电极对连线的距离，根据该距离与电阻变化率计算出各点的损伤函数值，从而用各点的损伤函数值通过绘制出高度图反映出各点的损伤程度。本发明能够直观准确地反映出钻孔后碳纤维增强复合材料的损伤。

Description

基于电阻变化的CFRP损伤检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种材料探伤领域的技术，具体是一种基于电阻变化的钻孔后碳纤维增强复合材料(CFRP)损伤检测方法，
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种由碳纤维与环氧树脂基体共热固化而成的先进复合材料，在与其他材料进行机械连接时，需要在CFRP上钻螺栓或铆钉孔，钻孔过程中产生的孔周分层会对碳纤维复合材料的静强度和高低周疲劳强度都造成一定影响，因此检测钻孔后的层间和层内损伤的程度在评判碳纤维复合材料连接强度方面极为重要。
目前的损伤检测方法多需要在实验室应用大型的专业设备，例如红外检测需要借助大型的红外热层析机器进行，超声C-扫检测需要较大的平台和良好的水耦合或油耦合环境，且成像速度慢。因此很多现有的方法无法对碳纤维增强复合材料或构件进行迅速、简单、有效的损伤检测。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于电阻变化的CFRP损伤检测方法，能够直观准确地反映出钻孔后碳纤维增强复合材料的损伤。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于电阻变化的碳纤维增强复合材料损伤检测方法，通过在碳纤维增强复合材料板上布置若干个检测电极，并通过电极对组合检测方式得到板材在钻孔前后的电阻值，计算出电阻变化率；然后将复合材料板在坐标系内离散成若干个点，计算各点到各电极对连线的距离，根据该距离与电阻变化率计算出各点的损伤函数值，从而用各点的损伤函数值通过绘制出高度图反映出各点的损伤程度。
技术效果
与现有技术相比，本发明充分利用了CFRP良好的导电特性与分层前后的电阻变化特性。用于表征损伤的电阻参数简洁明确，与超声C扫图像、红外热层析图像、X射线扫描图像相比，操作平台灵活，能耗低，容易获取数据。用于反映损伤的损伤函数与其他电阻层析成像函数相比不涉及微积分运算，便于普通工程技术人员理解、计算并应用。依赖实时和准确的电阻信息，可靠性强，检测结果准确。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为碳纤维复合材料层板上电极和导线布置方式示意图及其中线段的示例图；
图3为实施例效果示意图。
具体实施方式
本实施例以尺寸为100mm×100mm×2mm，电阻率为102Ω·m量级的碳纤增强复合材料板为例进行说明。如图1所示，本实施例检测方法包括以下步骤：
第一步：使用电阻率为10-6Ω·m量级的导电银胶(远小于所测材料的电阻)在碳纤维增强复合材料板的表面四周等间距地粘贴银电极，每条边布置9个电极；如图2所示，确定电极位置后，在每个电极处连接一根铜导线，各刷一层导电银胶用于固定，常温下固化24小时，确保电极与导线都不会脱落，固化后电极呈银色。
第二步：以板材左下角为坐标原点O(0,0)、水平方向为x轴、竖直方向为y轴建立平面直角坐标系xOy，得到各个电极在该坐标系下对应的坐标Ni(xi,yi),i＝1,2,3…,4n；将得到的电极的坐标配成电极对。
所述的电极对是指：按以下方式两两组合成一对：
①横坐标相同，纵坐标不同的两点的组合，共n组；
②纵坐标相同，横坐标不同的两点的组合，共n组；
③连线斜率绝对值等于1的两点的组合，共4n组。
一起共6n种连线的组合，每一种记为连线Lk，k＝1,2,3,…,6n，连线图如图2中的虚线所示，一共6n条，Lk的两个端点记为Nk1，Nk2，将各条连线所对应的序号以及连线所对应的两个端点坐标记录到如下表所示的EXCEL数据记录表1中。
表1
Figure GDA0002316007700000021
第三步：将铜导线电阻表相接，使用电阻表测量电极对连线Lk两端的电阻值Rk，待读数稳定后，记录下对应的读数，并将数据写入如表1所示的EXCEL数据记录表。
根据所需的钻孔参数在复合材料板中心进行钻孔并重复第三步开始的操作，测量钻孔后对应的电阻值R′k，将数据记录到EXCEL数据记录表中。
第四步：计算各条电极对连线的电阻变化率
Figure GDA0002316007700000031
进而得到将复合材料板按矩形阵列的方式离散成若干个点P(x,y)，阵列的第一方向为x轴正方向，阵列的第二方向为y轴正方向，在给定阵列方向上按0.03的步长进行离散。离散得到的若干个点对应损伤的场函数
Figure GDA0002316007700000032
并据此绘制出高度图，其中：临时变量D′k满足：
Figure GDA0002316007700000033
其中：复合材料板离散成得到的若干个点P(x,y)到每一条电极对连线Lk的距离
Figure GDA0002316007700000034
PNk1，PNk1，Lk均为线段长度，β为参量，用于界定点P(x,y)是否位于电极对连线Lk电阻变化的影响区域，0＜β＜1。
所述的高度图，利用如表2所示的数据绘制而成。数据的每一行代表一条电极对连线，数据各列的含义与表1中显示的完全相同。
优选将该数据导入MATLAB中生成Data矩阵，矩阵各行各列的形式与表2中显示的也完全相同；分别计算各点的场函数，绘制出F(x,y)的高度图。
本本实施例中为了达到过滤F(x,y)小数值并不破坏原有分层边界的效果，实际绘制出F10(x,y)的高度图输出。
本实施例中将图像上数值较大的区域视为损伤较为严重的区域，如图3所示，中心最亮的区域为通孔，周围的明显带状分层即为不同程度的损伤区域。
表2
Figure GDA0002316007700000035
Figure GDA0002316007700000041
利用了CFRP良好的导电特性，并且注意到CFRP钻孔分层前后的电阻变化特性，用电极对连线上电阻变化作为参数，以初等数学运算而非微积分运算构件损伤函数，反映由钻孔引入的分层和纤维断裂等损伤。
与现有技术相比，本方法用于表征损伤的电阻参数简洁明确，与超声C扫图像、红外热层析图像、X射线扫描图像相比，操作平台灵活，能耗低，容易获取数据。用于反映损伤的损伤函数与其他电阻层析成像函数相比不涉及微积分运算，便于普通工程技术人员理解、计算并应用。依赖实时和准确的电阻信息，可靠性强，检测结果准确。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于电阻变化的碳纤维增强复合材料损伤检测方法，其特征在于，通过在碳纤维增强复合材料板上布置若干个检测电极，并通过电极对组合检测方式得到板材在钻孔前后的电阻值，计算出电阻变化率；然后将复合材料板在坐标系内离散成若干个点，计算各点到各电极对连线的距离，根据该距离与电阻变化率计算出各点的损伤函数值，从而用各点的损伤函数值通过绘制出高度图反映出各点的损伤程度；
所述的损伤函数值，即场函数
Figure FDA0002955817270000011
并据此绘制出高度图，其中：各条电极对连线的电阻变化率
Figure FDA0002955817270000012
Rk为电极对连线Lk两端的电阻值，R′k为钻孔后对应的电阻值，临时变量D′k满足：
Figure FDA0002955817270000013
其中：复合材料板离散成若干个点P(x，y)到每一条电极对连线Lk的距离
Figure FDA0002955817270000014
PNk1，PNk2，Lk均为线段长度，β为反映损伤区域大小的参量，0＜β＜1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的检测电极采用电阻率为10-6Ω·m量级的导电银胶。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的电极对组合检测方式是指：按以下方式两两组合成一对：
①横坐标相同，纵坐标不同的两点的组合，共n组；
②纵坐标相同，横坐标不同的两点的组合，共n组；
③连线斜率绝对值等于1的两点的组合，共4n组；
一起共6n种连线的组合，每一种记为连线Lk，k＝1，2，3，...，6n，Lk的两个端点记为Nk1，Nk2，将铜导线异于电极的一端与电阻表相接，使用电阻表测量电极对连线Lk两端的电阻值Rk，根据所需的钻孔参数在复合材料板中心进行钻孔并重复第三步开始的操作，测量钻孔后对应的电阻值R′k。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的高度图，将生成的用于模拟的数据导入MATLAB中生成Data矩阵，分别计算各点的场函数后绘制得到。
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