基于红外热像法的金属裂纹扩展研究北大核心CSCD

疲劳裂纹是金属结构件在工程实际中常见的失效形式之一,裂纹的扩展则会导致大部分塑性功以热量的形式耗散,因此基于红外热像法的金属结构温度监测是实现裂纹扩展评估的有效方法之一。本文分析了金属裂纹扩展过程中材料的热耦合方程,使用ABAQUS软件进行直接热力耦合数值模拟,揭示了塑性功转化系数、拉伸速度对单轴拉伸载荷下含裂纹的Q235试件表面温度变化的影响规律,并基于红外热像仪测量试验得到了同数值模拟吻合度较高的结果,以此验证了此规律的正确性。结果显示,拉伸过程中试件表面温度经过平稳阶段、稳步上升阶段。裂纹扩展过程中,试件表面温度最高点位于裂纹尖端前方。同时拉伸速度越大,试件断裂时间短,裂纹扩展过程中热损失越小,试件表面温升越大。该结果对金属结构的裂纹监测和预警具有重要意义。     

基于复Morlet小波相位的红外调制热像检测方法

为了提高红外调制热像法对复合材料缺陷的检测能力,研究了利用基于复Morlet小波相位分析的红外热像序列处理方法。依据热激励调制频率和红外图像采样频率,自适应地选择小波变换尺度总数,然后利用复Morlet小波系数相位从原始热像序列重建相位图序列。对含有分层缺陷的玻璃纤维增强复合材料参考试件进行了调制热像检测实验,以信噪比为评价指标对该方法的实际处理效果进行了定量评定,并与傅里叶变换法进行了对比。结果表明:复Morlet小波相位法可以分离调制热像信号的低频和高频噪声,能稳定地提取试件不同深度的分层缺陷,对热激励调制频率的变化有良好宽容性,因此是调制热像法的有效数据处理方法。     

航空复合材料内部缺陷差动式激光红外热成像检测

航空复合材料内部缺陷的存在严重威胁着飞行安全。以航空碳纤维复合材料层合板为检测对象,利用激光作为红外热成像检测技术的热激励源,充分利用激光的远距离精准加热、高功率密度等优点,实现对复合材料内部分层缺陷的定位检测。利用激光红外热成像技术对缺陷试件和参考试件进行多次差动检测,并且依据试件与热像仪的空间位置关系,选择温差最大时刻计算内部分层缺陷的直径。实验结果表明:激光红外热成像技术可有效检测航空碳纤维复合材料内部分层缺陷。同时,首次使用的差动式激光红外方法可有效消除激光能量分布不均对检测结果带来的影响,使缺陷成像结果更清晰。     

CNG气瓶缠绕层缺陷的红外定位和定量识别及实验研究

CNG复合材料气瓶长期处于交变载荷作用,易于发生疲劳损伤,形成内部缺陷,造成强度下降,影响使用安全。含内部缺陷的复合材料气瓶在宏观上无明显形变,表观上难以直接进行缺陷检测。在目前的气瓶检测项目中,缺乏快速有效的缠绕层内部缺陷检测手段,可能造成含有内部缺陷气瓶的漏检。本文针对CNG复合材料气瓶检测存在的关键问题,结合现有气瓶检测标准和工艺,提出了一种基于气瓶内部蒸汽冲洗过程表面热像的缺陷检测方案。该方案以气瓶冲洗过程的蒸汽为气瓶的内部热激励,基于红外热像仪采集的气瓶表面瞬态温度分布,利用人工神经网络实现气瓶缠绕层缺陷的定位和定量识别。实验研究表明,人工神经网络能够精确地进行气瓶缠绕层缺陷的定位和定量识别且识别效率较高,适于气瓶的在线检测。     

体内异常热源参数与体表温度关系的热像研究

人体内异常热源的位置信息在体表上表现为对应部位温度较高。体表温度可以通过医用红外热像仪摄取,这是诊断体内异常热源的方法之一。但是其摄取的体表温度分布并不能直接反应体内异常热源位置等信息,因此对热源深度、温度、热物性等参数与体表温度分布之间相互关系的研究是非常必要的。该文基于生物热传导方程,通过建立有限元模型,仿真分析了体内热源参数对体表温度分布的影响;将研制的温度可调的恒温热源埋于分层生物组织内,并以红外热像仪摄取各层生物组织的温度,给出体内、体表温度场的分布,对理论仿真结果进行实验验证。研究结果表明,体表温度分布与体内热源深度的关联性最大,为体内异常热源诊断的热像技术研究提供理论与实验依据。     

基于脉冲红外热像法的表面下识别的有限元模拟

利用ANSYS有限元分析软件对不锈钢平底孔两种深度4种缺陷试件进行建模,施加单面热流,模拟了脉冲红外热成像检测过程。计算被检不锈钢表面的温度变化和分布,提取相应缺陷表面对应区域的降温曲线,计算不锈钢缺陷界面热反射系数,并与实际脉冲红外热成像用于表面下识别检测实验结果进行对比。考察了有限元分析方法用于表面下缺陷类型识别的可行性,为进一步进行脉冲红外热成像用于表面下识别检测提供借鉴。     

列车门覆板-铝蜂窝脱粘缺陷的红外热像检测

为了检测列车门脱粘缺陷,采用红外热像获得覆板表面温度分布和变化规律。在物体表面温度-红外热波-红外热像理论的基础上分析了影响列车门脱粘缺陷红外热像质量的因素。实施了室内非稳态非接触穿透式加热方式列车门脱粘缺陷红外热像检测。实验中拍摄了180 s时长的试件热像,设置了脱粘区与无缺陷区内的平均温度之比作为特征值;获得了该特征值随时间变化的曲线。该特征值可用于列车门覆板-铝蜂窝脱粘缺陷红外热像检测,作为确定最佳检测时段和最佳检测温度的依据。     

基于激光热成像方法的奥氏体钢表面缺陷表征

有源热成像是当今广泛使用的无损检测方法,可利用材料热特性完成缺陷表征。本文使用激光作为热成像的激励源,使用激光局部加热试件,产生的球形热流允许以任意方向检测缺陷。在加热过程中,能量扩散完全覆盖缺陷区域,在散热过程中,缺陷的存在会使得激光器的热足迹呈现不对称性,红外热像仪实时监测表面温度场分布,实现表面缺陷的可视化检测。通过实验验证以及对实验结果的图像分析来完成缺陷表征,结果表明:在散热过程中,红外热像仪可实现对缺陷的可视化检测,通过图像锐化处理检测缺陷边界,得到缺陷的形状分布,完成缺陷的定位表征。     

热固性/热塑性复合材料分层损伤红外热波检测能力评估

主动红外热成像技术在不同基体复合材料分层损伤中的检测能力尚未被评估.文中通过设计制作两种典型热固性/热塑性复合材料层压板,分别采用脉冲红外热成像、超声红外热成像、超声C扫描三种方法对不同冲击能量下的分层损伤进行了检测研究.以超声C扫描结果为参照,对比了两种红外热成像技术的检测结果,同时针对热图序列损伤区域的阈值分割提取开发了基于图像强度值相似性理论的区域生长算法.损伤的定量识别结果表明:脉冲热成像对热固性复合材料的分层损伤检测效果较好,但其不适用于热塑性复合材料损伤检测,超声热成像对于两类复合材料分层损伤均有较好的检测能力且整体检测精度优于脉冲热成像.期间对不同损伤检测效果的深层次机理进行了分析,并提出了分别针对两种基体类型复合材料的红外热成像技术评估流程和标准.     

锁相热像技术及其在无损检测中的应用

红外热波检测技术是一种新兴的无损检测技术.与传统的被动式红外检测方法不同,该方法将外加瞬时或交变温场施加到被测物,通过红外热像设备监测被测物在外加温场下的表面温度变化.根据外加温场的类型及相应的物理模型对采集到的数据信号进行处理,以图像的形式显示.锁相热像技术使用周期的交变温场与锁相处理方法,具有检测面积大、对表面加热均匀性要求低等特点.与多数锁相红外检测使用的正弦型热源不同,对方波加热红外热像检测系统的原理及验证性实验进行了介绍,并将该系统应用于碳纤维层压板冲击损伤的检测.结果表明:方波加热的锁相热像检测系统结构简单,对厚度不大的试件具有相当好的检测效果.     

半透明材料红外热像检测的光谱特性和光源选择

对半透明材料的光激励红外检测，其热激励机理与不透明材料不同，试件的吸热依赖于材料的光学特性和光源的辐射光谱。基于半透明材料的光谱特性，提出了体加热的物理机制和建模方法。为了获得材料的光谱吸收率，测试了不同厚度下玻璃纤维复合材料在一定波长范围内光的反射率和透射率。以色温模型来描述加热灯的光谱特性，用有限单元法分析了闪光灯色温对缺陷检测效果的影响，给出了可检信息参数（最大温差和最大对比度）与闪光灯色温的关系。结果表明，最大温差和最大对比度与色温呈非线性关系，它们随色温升高先减小后增大，因此低色温和高色温闪光灯对半透明复合材料检测更有利。所得结论为半透明复合材料的闪光灯激励红外检测提供了理论参考。     

红外图像序列处理的锁相热成像理论与试验

红外锁相热成像技术是一种基于热波信号处理的主动式红外热成像技术,特别适用于复合材料及复杂结构构件的无损检测.阐述了红外锁相热成像技术的原理,采用有限元方法对正弦规律变化的热流在构件中的传递过程进行了分析.利用正弦规律调制光源作为热激励源对不同材料的试件加载,通过Jade MWIR 550焦平面红外热像仪进行图像序列的采集,深入研究了图像序列数字滤波算法,并采用Savitzky-Golay数字平滑滤波算法消除了高频噪声的影响,在此基础上,利用FFr算法得到了热波信号的幅值与相位图像,并采用Visual C++平台开发了基于图像序列处理的红外锁相软件检测系统.试验结果表明,通过选取适当的激励加载频率可准确获得缺陷特征.     

激光红外热成像材料表面裂纹检测的研究进展

表面裂纹缺陷是材料中危险的缺陷形式,及时发现服役过程中产生的表面裂纹至关重要。激光红外热成像不仅具有传统红外检测的优点,还因激光能量密度高等特有优点,可远距离检测材料表面微小裂纹。综述了激光红外成像系统平台组件及其关键参数对激光红外成像检测的影响。从图像处理、优化工艺参数等角度入手,阐述了激光红外热成像检测表面裂纹缺陷的定性识别,进一步介绍了对材料表面裂纹缺陷长度、宽度以及深度特征的定量表征。最后对激光红外热成像检测表面裂纹缺陷进行了总结归纳,以及展望其未来的发展方向。     

主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的研究和应用进展

叶片长期工作在高温、高压、高速的恶劣工况下,极易出现损伤,及时发现并监控服役过程中叶片损伤对保证飞行安全至关重要。主动红外热成像技术是一种新型无损检测方法,具有无接触、高效率、无污染等优点,对材料近表面裂纹和涂层缺陷具有良好的效果。本文统计归纳航空发动机叶片典型缺陷类型和成因,对比主动红外热像技术的代表性激励方式;针对主动红外热像技术在叶片疲劳裂纹和表面涂层缺陷检测中的应用进行了分析,介绍机器学习和图像识别等智能算法在缺陷识别和定量评估方面的应用;总结归纳了主动红外热像技术面临的难题和未来的发展方向。总体而言,该技术在航空发动机叶片缺陷检测领域具有良好的应用前景。     

耐热合金涂层结构板材内部缺陷的脉冲红外热成像检测

为探索脉冲红外热成像技术用于检测耐热合金涂层结构内部缺陷的方法,采用有限元仿真和实验研究相结合的方法,对含有盲孔缺陷的耐热合金涂层结构试件进行检测研究。通过有限元仿真分析脉冲热流在被测构件中的传递过程,为检测实验中采样频率和采样时间的确定提供理论依据。利用高能脉冲闪光灯作为激励源对试件进行加热,通过FLIR SC7000系列红外热像仪采集图像序列,采用FCA法、PPT法和PCA法对原始图像序列进行处理。实验结果表明,在给定检测参数下,PPT法和PCA处理后的图像信噪比显著增强,可实现耐热合金涂层结构内部缺陷的可靠检测。     

基于脉冲涡流热成像的下表面缺陷评估

针对目前金属材料在高频涡流的激励下,趋肤深度十分小,可视为表面加热,试件下表面缺陷难以被捕捉的现象,提出了基于脉冲涡流热成像纵向热传导的方法来对其下表面缺陷进行识别,同时根据曲线斜率变化来对下表面缺陷进行量化研究。针对铁磁性、非铁磁性材料,通过有限元仿真以及实验验证的方法进行研究。结果表明：当缺陷处横向宽度与剩余厚度之比大于2时,热传导的纵向传导效应会大于横向传导效应,在材料表面形成明显的温度差,从而实现下表面缺陷的检测,并根据温度响应曲线斜率的线性变化与非线性变化所对应的时间点来定量分析缺陷深度之间的关系。     

基于激光热成像的金属表面缺陷深度检测

为了突破传统方法对材料表面缺陷深度检测的局限性,提出了一种基于透射式激光热成像的无损检测技术。选用激光源作为激励源,对被测材料的缺陷表面进行加热,加热点选在材料表面缺陷正下方处,激光输出功率为50W,加热时间为1s。在加热过程中,材料背面的温度场由于热流在材料缺陷传导过程中的影响而产生温度差异,故使用红外热像仪对加热过程中材料背面的温度场变化进行记录,并使用无缺陷处A点作为参考点,有缺陷处B点作为考察点,通过分析A、B两点的温度变化情况来对表面缺陷的深度进行特征提取。经过实验验证可知,该方法可以在一定条件下对材料表面的缺陷深度进行检测,当A点温度一定时,B点温度与缺陷深度的最优拟合呈指数关系,随着缺陷深度的增长,背面B点温度也随之降低。研究结果为后续的缺陷深度精准量化奠定了基础。