碳纤维复合材料宏/细观损伤的高频涡流检测（HF-ECT）关键技术研究

As motivated by the urgent online inspection demand along the value chain of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites from the raw materials to the semi-finished and finished products, the project will focus on the development and enhancement of the High Frequency Eddy Current Testing (HF-ECT) technique for the detection of macro- and mesoscopic structures and defects in the materials, such as fiber orientation, gaps, delamination and impact damages, etc. The applicability and superiority of ECT technique on CFRP material has been demonstrated by the related preliminary studies. However, some major scientific and technical issues need to be tackled before the ECT technique can find more real-world engineering applications. This project will emphasize to address such issues as: 1) proposing 3D electromagnetic finite element numerical method for HF-ECT simulation of multidirectional CFRP laminates, based upon modeling the high frequency eddy current path and electrical anisotropy; 2) proposing the high frequency probe design and optimization approach, as well as the cable crosstalk and interference noise suppression scheme, through understanding of the influences of the parameters in the coupling conditions between eddy current probe and CFRP test pieces; 3) proposing macro- and mesoscopic defect signal processing and characteristics extraction method, and meanwhile, developing high precision real-time imaging techniques based upon the Point Spread Function (PSF) of eddy current probe. Consequently, a small integrated HF-ECT system is constructed, and associated experiment study is conducted, so as to analyze flaws and damages in the composites quantitatively, and lay a good foundation for the application of HF-ECT technique in non-destructive testing of CFRP structures.

针对碳纤维复合材料（CFRP）从原材料、半成品到最终成型件的在线检测需求，研究材料中纤维方向、间隙以及冲击分层等宏/细观结构和损伤的高频涡流检测关键技术。高频涡流法用于CFRP无损检测的可行性和优势已被近年来的相关研究所证实，但是仍存在诸多关键问题尚未解决，制约了其在实际中的应用。本项目涉及以下三方面研究内容：1）建立多向CFRP层合板中高频涡流通路和各向异性电学模型，提出三维电磁有限元数值建模和仿真方法；2）揭示探头与CFRP耦合情况下各参数的影响规律，提出高频涡流探头多目标优化设计和噪声干扰抑制方案；3）研究宏/细观损伤检测信号的特征识别和处理方法，开发基于探头点扩散函数的扫描图像纹路细化聚焦和滤波分离技术。在此基础上设计CFRP涡流检测小型集成化系统样机，并开展相应的实验研究，实现对复合材料制造和使用过程中各种损伤的定量评价，为高频涡流法用于CFRP结构的无损检测奠定理论和技术基础。

本项目以碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）近年来的大量应用为牵引，深入研究和开发用于碳纤维复合材料的高频涡流损伤检测和成像技术。碳纤维复合材料是一种两相结构材料，本身可导电，但电导率小，且表现为各向异性。涡流检测是基于载流线圈与导电材料间的电磁感应原理实现的，高效无接触，不需耦合剂，自动化程度高，对复合材料制造和使用中的宏细观损伤均能检测，尤其能检测未浸润树脂的干纤维预成型体和碳纤维/树脂预浸料。项目的研究内容和取得的成果如下：.1. 在碳纤维复合材料的数值建模和仿真研究方面：(i) 研究了基于矢量磁位-标量电位（A-Φ）的CFRP多向层合板三维涡流场建模和仿真方法，进一步地，开发了基于简化矢量磁位Ar的快速仿真算法，并提出了层间界面的接触阻抗等效建模方法；(ii) 研究了线圈激励下的电涡流在碳纤维复合材料板平面内的分布特征和厚度方向上的衰减规律，分别从电磁感应原理和能量守恒的角度建立了趋肤深度的解析模型。.2. 在涡流探头-CFRP的耦合和探头优化设计研究方面：(i) 建立了计算高频情况下电感线圈电阻、电感和分布电容的数学模型，并以 COMSOL软件和Isight 为基础，搭建了涡流检测探头的多目标非线性优化仿真设计平台，通过DOE 计算得出探头尺寸参数对线圈阻抗和磁场强度变化的影响规律；(ii) 采用阻抗分析法建立了碳纤维复合材料和线圈探头的耦合电路模型，推导了不同探头在耦合情况下的线圈互感和电动势解析解，得出了针对弱导电复合材料的最佳探头空间结构形式。. 3. 在碳纤维复合材料结构可视化和成像研究方面：(i) 提出了电涡流细观（1μm-1mm）成像技术，并基于STM32F767微处理器研发了用于CFRP的小型集成化高频涡流检测成像系统；(ii) 开发了基于空间域和频域的复合图像增强方法，利用二维快速傅里叶变换（2D-FFT）和频域滤波对图像进行处理，基于点扩散函数对图像纹路细化并完成了不同方向上纤维纹路的分离，实现了对层合板每单向层中缺陷的精确定位。