面向CFRP层板缺陷与铺层方向的红外热波雷达成像检测关键技术研究

CFRP层板制备和使用过程中产生的各种类型与尺度的缺陷或损伤会严重影响使用性能和造成危害。CFRP层板铺层方向直接影响层板的强度、刚度及疲劳行为，其检测仍是无损检测的难点与挑战。本项目旨在对CFRP层板缺陷及铺层方向的红外热波雷达成像高效可靠检测新技术进行探讨和研究。研究线性调频热流在CFRP层板中的传递机制和及其与不连续结构相互热作用的热学物理特征；研究CFRP层板表面热波雷达信号热累积相干项消除与噪声干扰抑制的数学方法及时频域特征与内部缺陷、铺层方向之间的内在关系；深入研究CFRP性能、缺陷类型、尺度范围及铺层方向对红外热波雷达成像检测的影响与规律，确定适用范围及局限性；研究基于表面热波雷达信号时频域特征分析的缺陷判定准则和缺陷特性、位置、边界及尺寸与铺层方向的识别方法。为CFRP层板缺陷与铺层方向的高效可靠检测提供新方法，为其在碳纤维复合材料无损检测与质量评价中得到应用奠定基础。

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）层板在成型与使用过程中，受工艺与工作环境影响，易产生孔隙、纤维断裂、分层、脱粘等缺陷，人工铺层易出现纤维层错铺等问题。CFRP层板缺陷或纤维层铺错将严重影响CFRP层板制件使用性能及寿命，在生产过程中迫切需要简单、有效、快速的无损检测方法实现对CFRP层板缺陷与铺层方向的可靠检测。.红外热波雷达成像检测技术将红外热波成像与雷达探测技术相结合，有效提高热波信号带宽和信噪比，具有抗干扰能力强、检测范围大、灵敏度高等优势，为CFRP层板缺陷与铺层方向检测提供了一种新方法。本项目开展面向CFRP层板缺陷与铺层方向的红外热波雷达成像检测技术研究。研究了Chirp调制热流作用CFRP层板的热传递过程及温度场分布，仿真确定了热波雷达信号的时频域响应特征。提出了基于希尔伯特变换瞬时特性时域积分与双路Chirp锁相相关的特征提取算法。分析了检测参数与缺陷几何特征对热波雷达信号特征的影响与规律；探讨了铺层方向检测的可行性，仿真分析了检测参数与铺层方向对热波雷达信号特征分布的影响与规律，为相关试验研究提供了理论基础；研制了调制激光激励红外热波雷达成像检测系统。通过检测试验研究了检测参数、缺陷几何特征与铺层方向对热波雷达信号响应特征的影响及规律，分析了各种特征提取算法（相关算法、瞬时特性时域积分与双路Chirp锁相相关）的优势，验证了仿真分析的正确性，确定了合理检测参数范围；提出了缺陷判定准则和缺陷位置、边界及尺寸识别方法，并基于POD（Probability of Detection）分析，研究了检测参数、特征提取算法对POD水平的影响与规律。获得了不同缺陷阈值下，红外热波雷达成像检测CFRP层板缺陷尺度范围和检测工艺参数；研究了基于有限元修正与数值优化的CFRP层板缺陷与铺层方向的识别方法。采用模拟退火与Nelder-Mead算法的混合方法实现了CFRP层板缺陷直径与深度的识别，对直径在8~12mm，深度在0.6~2.0mm范围内的模拟缺陷，直径与深度的误差均<6%；检测7层CFRP层板铺层角度最大误差<6°。.本项目研究为CFRP层板缺陷及铺层方向的可靠准确检测提供了新方法和新技术，也为红外热波雷达成像检测技术在碳纤维复合材料无损检测与评价的工程应用奠定基础，具有重要科学意义和实际应用价值。

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