基于电阻断层成像的出口导流叶片损伤检测方法

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碳纤维复合增强材料作为新型材料之一,具有较高的比强度、比模量,并且具有耐高温,耐腐蚀,导电性好等特点,广泛应用于航空航天、纺织、医学等领域。对碳纤维复合增强材料的损伤检测,是碳纤维复合增强材料研究领域的重要研究方向。近年来,电阻抗断层成像技术在碳纤维复合增强材料的损伤检测中越来越受到重视。电阻抗断层成像是一种无损检测技术。目前在碳纤维复合增强材料上运用电阻抗断层成像技术的研究,所使用的复合材料形状大多为简单的方形或圆形等平面形状,与实际应用的情况差距较大。出口导流叶片是航空发动机的重要组成部分,一般位于发动机外涵道尾部,其作用是防止空气形成涡流。出口导流叶片需要长期在极端环境下工作,其在工作中产生的损伤能否及时被发现对于航空发动机的安全十分重要。一旦出口导流叶片出现损伤或故障,会产生极大的安全隐患,甚至可能会发生机毁人亡的重大安全事故。因此对出口导流叶片的损伤进行检测是十分有必要的。而出口导流叶片一般由碳纤维复合增强材料制成。因此,本文利用电阻断层成像方法对出口导流叶片进行损伤检测的研究,将电阻断层成像与实际应用相结合,具有工程应用价值。为了研究电阻断层成像对出口导流叶片损伤的检测能力,本文首先进行了出口导流叶片的模型设计和样件制备。制备完成的出口导流叶片长200mm,宽85mm,高10mm,共有32个电极,长边每侧8个电极均匀布置,宽边每侧8个电极环形均匀布置。之后,搭建并测试了电阻断层成像的检测实验台。其测试结果表明,该系统能够实现对出口导流叶片的电阻断层成像。完成出口导流叶片的制备和检测实验台的搭建后,本文进行了出口导流叶片圆槽损伤的重构效果研究,使用电钻在出口导流叶片表面确定的位置制造确定直径的圆槽损伤。其中一共设置了四项对比研究,分别为:不同正则化方法的研究,不同测量方案的研究,不同直径的圆槽的研究和不同位置的圆槽的研究。实验结果表明,使用电阻断层成像能够检测出直径不小于2mm的圆槽损伤,其中使用拉普拉斯正则化方法具有较优的成像结果。另外,使用长边电极的测量方案,对于圆槽损伤的平均定位偏差为12.832mm。同时,实验结果表明电阻断层成像对于靠近电极的圆槽损伤更加敏感。由于圆槽损伤与出口导流叶片在实际工况中所受到的损伤并不相同,因此,本文进行了出口导流叶片冲击损伤和冲后压缩损伤的重构效果研究。其中,使用落锤冲击试验机进行冲击损伤实验,使用万能试验机对出口导流叶片进行后压缩损伤实验。对比了冲击损伤前后与压缩损伤前后的电阻断层成像的重构效果,并对损伤形貌进行了观察。实验结果表明,4J的冲击能量对出口导流叶片造成的损伤较小,8J的冲击能量使出口导流叶片产生了塑性变形,同时电阻断层成像技术能够检测出4J和8J的冲击损伤。压缩过程中,出口导流叶片所受最大压力约为3.6k N,出口导流叶片在压缩后形成较大损伤,存在基体开裂和纤维断裂。电阻断层成像也能够较好的检测出压缩后出口导流叶片的损伤形状和裂纹走向。
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