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1、大连理工大学大连理工大学大连理工大学大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工业装备结构分析国家重点实验室工业装备结构分析国家重点实验室工业装备结构分析国家重点实验室 疲劳与无损检测疲劳与无损检测红外热像反映的是物体表面的温度分布，而温度是自然界红外热像反映的是物体表面的温度分布，而温度是自然界中物体状态最普适的参数之一。中物体状态最普适的参数之一。作为一种物体状态的检测手段，红外热像法具有无损、实作为一种物体状态的检测手段，红外热像法具有无损、实时及非接触的优点，在科学研究中获得了广泛的应用。时及非接触的优点，在科学研究中获得了广泛的应用。疲劳热像法作为热像法最有希望的研究方向之一，在用于
2、疲劳热像法作为热像法最有希望的研究方向之一，在用于快速获取金属疲劳性能快速获取金属疲劳性能( (疲劳极限和疲劳极限和S-N)S-N)方面，更是引起方面，更是引起了学术界及工业界的强烈兴趣了学术界及工业界的强烈兴趣 疲劳热像法疲劳热像法第一部分第一部分疲疲劳劳是是一一个个能能量量耗耗散散的的过过程程。这这里里所所说说的的能能量量包包括括了了储储能能与与热热耗耗散散，其其中中储储能能是是材材料料内内部部缺缺陷陷与与损损伤伤状状态态的的体体现现，可可通通过过材材料料微微观观结结构构的的变变化化来来描描述述，但但其其大大小小则则需需要要借借助助材料的热耗散间接获得。材料的热耗散间接获得。疲疲劳劳热热像
3、像法法即即借借助助于于红红外外热热像像测测试试系系统统，通通过过记记录录试试件件在在动动态态载载荷荷作作用用下下的的热热像像数数据据，并并结结合合疲疲劳劳能能量量方方法法进进行行分分析，进而对材料或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。析，进而对材料或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。疲劳热像法的定义疲劳热像法的定义 金金属属材材料料在在交交变变载载荷荷的的作作用用下下，由由于于热热弹弹性性& &热热塑塑性性效效应应的的作作用用，将将会会产产生生温温度度的的波波动动与与上上升升。温温度度的的变变化化反反映映
4、材材料料表表面面的的应应力力分分布状态，进而对材料的疲劳损伤状态具有描述能力。布状态，进而对材料的疲劳损伤状态具有描述能力。滞弹性应变能等塑性应变能弹性应变能储储储储能能能能声发射热耗散热耗散热耗散热耗散其他能耗机机械械能能耗耗能能量量耗耗散散过过程程疲疲劳劳损损伤伤的的疲劳热像法的基本原理疲劳热像法的基本原理疲劳热像法的应用疲劳热像法的应用快速获取疲劳参数快速获取疲劳参数 疲劳极限、疲劳极限、S-NS-N曲线、残余疲劳寿命曲线、残余疲劳寿命断裂力学应用断裂力学应用 以实时、直读的方式记录裂纹扩展速率以实时、直读的方式记录裂纹扩展速率损伤评估与健康监测损伤评估与健康监测 有望用于重要服役结构的
5、在线安全评估有望用于重要服役结构的在线安全评估红红外外热热像像法法技技术术一一种种实实时时、全全场场及及非非接接触触的的无无损损检检测测手手段段，最最初初被被用用在在军军事事领领域域。随随着着人人们们对对材材料料力力学学行行为为与与温温度度变变化化之之间间关系认识的不断深入，热像法开始被应用于疲劳断裂研究中。关系认识的不断深入，热像法开始被应用于疲劳断裂研究中。疲疲劳劳试试验验疲疲劳劳理理论论建建立立与与发发展展的的重重要要基基础础，在在工工业业生生产产中中具具有有不不可可代代替替的的重重要要性性。然然而而传传统统疲疲劳劳试试验验方方法法存存在在着着试试验验周周期期长长、成本高、数据离散等先天
6、不足。成本高、数据离散等先天不足。通通过过新新兴兴的的疲疲劳劳热热像像法法，有有望望只只通通过过几几根根试试件件，花花几几天天时时间间便便可可获获取取金金属属材材料料或或构构件件的的疲疲劳劳参参数数。该该技技术术的的研研究究，可可用用于于实实现现疲疲劳劳试试验验的的快快速速化化，提提高高试试验验效效率率，缩缩短短研研发发周周期期，从从而而引引起了学者与工程师们的极大兴趣。起了学者与工程师们的极大兴趣。疲劳热像法的兴起疲劳热像法的兴起1830 固体材料的热弹性效应 Kelvin1963 固体材料的热塑性效应 Dillon&Kratochvil1968 红外辐射测量仪器的应用范围研究 Belgen
7、1978 热辐射应力图像分析技术（SPATE） Mountain&Weber1986 快速测定疲劳极限的热像法 Risitano1990 基于固有耗散的疲劳极限快测法 Luong1994 利用锁相热像法提取热弹性耗散效应 Brmond1994 至今至今 锁相热像法的深入研究 Chrysochoos, et al 2000 至今至今 热像法在金属疲劳中的研究 Liaw, Crupi, et al疲劳热像法的发展史疲劳热像法的发展史热热弹弹性性效效应应：弹弹性性拉拉伸伸载载荷荷将将引引起起材材料料温温度度的的降降低低，而而弹弹性性压压缩缩载载荷荷将将引引起起材材料料温温度度的的升升高高。由由于于热
8、热弹弹性性效效应应引引起起的的温温度度变变化化十十分分微微小小，故故在在很很长长的的时时期期内内并并没没能能引引起起人人们们的注意。的注意。Km热弹性系数热弹性系数热弹性效应热弹性效应这里，这里，是线膨胀系数，是线膨胀系数，是是材料密度，材料密度，Cp是是等等压比热。比热。热热塑塑性性效效应应指指出出：塑塑性性应应变变能能是是材材料料在在疲疲劳劳破破坏坏中中机机械械能能耗耗的的主主体体，绝绝大大部部分分将将以以热热耗耗散散的的形形式式释释放放出出去去，进进而而引引起材料表明温度的升高，并维持着温度场的平衡。起材料表明温度的升高，并维持着温度场的平衡。热塑性效应热塑性效应弹性效应弹性效应弹性效应
9、弹性效应塑性效应塑性效应塑性效应塑性效应基于应变能耗的疲劳研究基于应变能耗的疲劳研究20世纪世纪60年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。许多学者都尝试在循环滞回能与材料低周疲劳之间建立关系。许多学者都尝试在循环滞回能与材料低周疲劳之间建立关系。许许多多基基于于应应变变能能耗耗的的疲疲劳劳损损伤伤模模型型被被提提出出, ,这这些些模模型型的的共共同同特特点点是是：以以某某种种形形式式的的应应变变能能表表征征疲疲劳劳损损伤伤，当当这这种种形形式式的的应应变变能能积累到某个极限值时，材料将发生破坏。积累到某个极限值时，材料将发生破坏。而而一一些
10、些研研究究发发现现，疲疲劳劳过过程程中中所所消消耗耗的的应应变变能能与与加加载载状状态态有有关关, ,并不能直接与疲劳损伤之间建立某种关系。并不能直接与疲劳损伤之间建立某种关系。 于于是是人人们们开开始始关关注注于于疲疲劳劳过过程程中中的的能能量量耗耗散散现现象象，尝尝试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题 。意意大大利利学学者者Risitano等等人人最最早早提提出出了了快快速速测测定定金金属属材材料料疲疲劳劳极极限限的的热热像像法法，该该方方法法将将疲疲劳劳极极限限定定义义为为周周期期载载荷荷下下引引起起材材料料表面平均温度升高的最小应力值。表面平均温
11、度升高的最小应力值。最初的疲劳极限快速法最初的疲劳极限快速法 RisitanoRisitano法法法法u在各级应力水平下加载在各级应力水平下加载u记录平衡阶段的温升值记录平衡阶段的温升值u将数据插入到应力将数据插入到应力温升图温升图u观察到图中明显的拐点现象观察到图中明显的拐点现象u通过一线拟合法确定疲劳极限通过一线拟合法确定疲劳极限试试验验步步骤骤疲劳极限疲劳极限法国学者法国学者Luong对疲劳耗散过程的热源展开了分析：对疲劳耗散过程的热源展开了分析：上式中，热源被分为外外热源热源、热传导热传导、热弹性源热弹性源及固有耗散源固有耗散源。外热源表示由于一些内部或外界因素所引起的热噪声。热传导将
12、改变试件表面的温度场，使其趋于均匀分布。热弹性源是由材料的弹性效应所引起的可逆的热力学现象。固有耗散源是由材料的非弹性效应所引起的不可逆的热力学现象，它所产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去。 Luong认认为为材材料料的的能能量量耗耗散散与与疲疲劳劳损损伤伤之之间间存存在在着着密密切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。改进的疲劳极限快测法改进的疲劳极限快测法 LuongLuong法法法法Luong法对Risitano法的改进：a)a)利用能量方程进行了较深入的理论分析。利用能量方程进行了较深入的理论分析。b)b)仅考虑耗散效应，排除了可
13、逆的热弹性效应。仅考虑耗散效应，排除了可逆的热弹性效应。c)c)采用二线拟合法确定疲劳极限。采用二线拟合法确定疲劳极限。改进的疲劳极限快测法改进的疲劳极限快测法 LuongLuong法法法法 载荷（KN）疲劳极限疲劳极限温升（ ）LuongLuongLuongLuong所做的工作对锁相热像法有着重要的启发作用。所做的工作对锁相热像法有着重要的启发作用。所做的工作对锁相热像法有着重要的启发作用。所做的工作对锁相热像法有着重要的启发作用。锁相相热成像技成像技术 (Lock-in Thermography Technology)作作为一种新一种新兴的的红外外热像技像技术，可用于，可用于测量及评估测量
14、及评估材料材料或构件或构件在在周期周期载荷下的荷下的热弹性效应热弹性效应。锁相技术可通过傅立叶运算有效提高信噪比锁相技术可通过傅立叶运算有效提高信噪比锁相热像法测量的是与载荷变化相关的温度变化锁相热像法测量的是与载荷变化相关的温度变化测量结果是热弹性温度变化的峰峰值测量结果是热弹性温度变化的峰峰值锁相技术提供不同的信号处理方法：锁相技术提供不同的信号处理方法：新兴的疲劳极限快测法新兴的疲劳极限快测法 锁相热像法锁相热像法锁相热像法锁相热像法锁相傅立叶转换锁相傅立叶转换 关联运算关联运算锁相锁相 周期信号分析周期信号分析随机信号分析随机信号分析运动补偿运动补偿 根根据据热热弹弹性性效效应应，应应
15、力力与与温温升升之之间间存存在在着着180180度度的的相相位位差差。通通过过锁锁相相技技术术，可可对对加加载载信信号号进进行行时时钟钟信信号号模模拟拟，使使力力激激励与温度响应做到同步显示。励与温度响应做到同步显示。锁相热像法的原理锁相热像法的原理热信号热信号信信号号处处理理锁相锁相加载信号加载信号试件件E模式与模式与D模式模式热弹性模式（热弹性模式（Thermo-Elastic Mode） 可进行热弹性效应分析可进行热弹性效应分析 用于应力测量（用于应力测量（SPATE法）法）耗散模式（耗散模式（Dissipation Mode） 提取热弹性源中的耗散效应提取热弹性源中的耗散效应 可用于疲
16、劳分析，计算固有耗散可用于疲劳分析，计算固有耗散此外，还有普通模式，用于直接测量物体表面温度变化。E模式模式D模式模式在高于材料疲劳极限的应力水平下，应力温升会呈现出非线性。将热弹性温升的漂移值定义为材料的固有耗散，记为 。固固有有耗耗散散指指标标可可用用于于对对材材料料的的疲疲劳劳损损伤伤程程度度进进行行表表征征，并并可可通通过过LuongLuong法直接获取其疲劳极限法直接获取其疲劳极限。D模式下的固有耗散指标模式下的固有耗散指标锁相热成像系统锁相热成像系统工作原理图工作原理图试验现场图试验现场图红外摄像机红外摄像机阵列式中波红外相机（320240个探测元件）波长响应：3-5 m热灵敏性：
17、25等效噪声下等效噪声下 25mk，通常可达，通常可达10mk测温范围：-20-1500最高帧幅率：500 Hz积分时间：10s空间分辨率：深度不同材料的探测深度：不同材料的探测深度： 玻璃-环氧树脂 16 mm碳-环氧树脂 8 mm钢 5 mm铝 4 mm 锁相红外热像系统锁相红外热像系统 数字锁相器数字锁相器数字锁相器数字锁相器 红外热像仪红外热像仪红外热像仪红外热像仪 计算机计算机计算机计算机 热源热源热源热源 函数发生器函数发生器函数发生器函数发生器红外无损检测的应用红外无损检测的应用用于航空航天器的复合材料用于航空航天器的复合材料 缺陷的检测、表征、损伤判别与评估缺陷的检测、表征、损
18、伤判别与评估多层结构和复合材料结构多层结构和复合材料结构 脱粘、分层、开裂等的检测与评估。脱粘、分层、开裂等的检测与评估。压力容器与承载装置压力容器与承载装置 表面及表面以下疲劳裂纹的探测表面及表面以下疲劳裂纹的探测 有限元模型有限元模型W. Bai和和B. S. Won在在2000年提出了对流条件年提出了对流条件下有限厚度单层热像模型和多层热像模型。下有限厚度单层热像模型和多层热像模型。 多层热像模型多层热像模型 周期载荷周期载荷 模拟实施步骤模拟实施步骤1. 1.分析物体结构，建立合适的模型，确定物体的分析物体结构，建立合适的模型，确定物体的热物性参数；热物性参数；2. 2.划分单元，选择
19、瞬态热分析；划分单元，选择瞬态热分析；3. 3.选择理想的加载频率，编写加载函数，提取数选择理想的加载频率，编写加载函数，提取数据的间隔时间要合理；据的间隔时间要合理；4. 4.求解，分析温度云图和某一点的温度求解，分析温度云图和某一点的温度时间历时间历程曲线图；程曲线图；5. 5.提取数据，分析结果。提取数据，分析结果。 （一）碳纤维加筋板（一）碳纤维加筋板背背面面有有筋筋板板碳碳纤纤维维复复合合材材料料平平板板。其其规规格格为为：长长350mm， 宽宽 250mm， 平平板板厚厚度度为为3mm，筋筋板板处处的的厚厚度度为为2mm，其其中中两两个个筋筋板板下下半半部部有有不不同同程程度度的的
20、开开裂裂 。 数值模拟结果数值模拟结果如如图图所所示示，按按照照 W. Bai模模型型，预预测测当当频频率率为为0.12Hz时时，最最大大相相位位差差绝绝对对值值为为最最大大相相位位差差绝绝对对值值为为16.83，此此时时图像对比度应该最晰。图像对比度应该最晰。结果与分析结果与分析 由锁相红外热像系统由锁相红外热像系统分析得到的相位图分析得到的相位图可清楚看到板材背后的条状加筋板可清楚看到板材背后的条状加筋板不同加载频率下的结果不同加载频率下的结果选用高频检测时，不能看到筋板的具体位置；而选用选用高频检测时，不能看到筋板的具体位置；而选用低频则可以分辨出筋板的不同。原因是高频热波在传低频则可以
21、分辨出筋板的不同。原因是高频热波在传播过程中衰减较快，穿透能力弱。播过程中衰减较快，穿透能力弱。不同位置的取值对比不同位置的取值对比由图中可看出，曲线显示的四个波谷即为对由图中可看出，曲线显示的四个波谷即为对应的四条筋板所成的相位图像。应的四条筋板所成的相位图像。结论结论频率是锁相加热红外无损检测中一个最为关键的参数。最频率是锁相加热红外无损检测中一个最为关键的参数。最佳的频率能使设备准确清晰的检测到缺陷；相应地，正确佳的频率能使设备准确清晰的检测到缺陷；相应地，正确的频率设置也能使有限元数值模拟对物体呈现更为清晰的的频率设置也能使有限元数值模拟对物体呈现更为清晰的图像。从这个角度来说，二者是
22、一致的。但是，由于实际图像。从这个角度来说，二者是一致的。但是，由于实际检测和数值模拟的本身差异性的存在，二者在最佳检测频检测和数值模拟的本身差异性的存在，二者在最佳检测频率取值上又不可能完全一致，所以我们只能用数值模拟的率取值上又不可能完全一致，所以我们只能用数值模拟的频率去预测或者修正实际检测时所使用的频率，进而提高频率去预测或者修正实际检测时所使用的频率，进而提高我们的检测效率和检测效果。我们的检测效率和检测效果。 （二）内部预埋缺陷（二）内部预埋缺陷预预埋埋缺缺陷陷的的碳碳纤纤维维复复合合材材料料平平板板。板板规规格格为为：长长340mm， 宽宽 270mm， 厚厚1m，用用八八层层碳
23、碳纤纤维维铺铺设设而而成成，每每层层碳碳纤纤维维的的厚厚度度为为0.125mm，在在平平板板的的中中心心处处预预埋埋了了一一层层圆圆片片形形一一层层 特特 氟氟 纶纶 ， 其其 厚厚 度度 为为0.1mm。 数值模拟结果数值模拟结果可以看出，有缺陷处与其他处相比，相位差明显。如可以看出，有缺陷处与其他处相比，相位差明显。如果物体内部或背面有孔，则空处对应的相位比其他部果物体内部或背面有孔，则空处对应的相位比其他部分要滞后，这是因为此处相当于变薄。分要滞后，这是因为此处相当于变薄。结果与分析结果与分析 由锁相红外热像系统由锁相红外热像系统分析得到的相位图分析得到的相位图可以看到预埋缺陷的形状，但
24、形状却呈可以看到预埋缺陷的形状，但形状却呈椭圆形，边界并不易准确识别椭圆形，边界并不易准确识别。不同位置的取值对比不同位置的取值对比由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显高于周边区域。高于周边区域。不同位置的取值对比不同位置的取值对比由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显由图中可看出，预埋缺陷处的相位值要明显高于周边区域。高于周边区域。其他应用钛合金焊接蜂窝夹层结构焊接质量检测碳纤维层合板钻孔加工后损伤检测结论结论无论是实际检测的成像形状，还是有限元数值模拟时产生无论是实际检测的成像形状，还是有限元数值模拟时产生的图像形状，他们都是缺陷形状的近似反应，按照
25、传热的图像形状，他们都是缺陷形状的近似反应，按照传热学的基本原理，热图像都有温度梯度的变化，二者不同学的基本原理，热图像都有温度梯度的变化，二者不同的是，实际检测时，当缺陷性质不足以影响到在表面的的是，实际检测时，当缺陷性质不足以影响到在表面的图像时，图像会出现边缘模糊现象，有时候可能会根本图像时，图像会出现边缘模糊现象，有时候可能会根本与其他地方一致，缺陷不能被分辨出来，数值模拟也存与其他地方一致，缺陷不能被分辨出来，数值模拟也存在这个现象，但是这与有限元软件本身的计算的精度有在这个现象，但是这与有限元软件本身的计算的精度有关，即有限元数值模拟更容易的分辨处边界的不同。实关，即有限元数值模拟
26、更容易的分辨处边界的不同。实际检测更取决于材料本身和缺陷性质，而有限元数值模际检测更取决于材料本身和缺陷性质，而有限元数值模拟更取决于计算精度。拟更取决于计算精度。1.郭杏林, 王晓钢. 疲劳热像法研究综述J. 力学进展, 2009, 39(2):217-227. 2.郭杏林, 王晓钢. 基于锁相热像法的金属疲劳特性评估方法研究J. 机械强度, 2009, 31(2):1-7. 3.XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINGLIN GUO, YANGUANG ZHAO. Lock-in thermographic methodology for fatigue as
27、sessment and nonlinear stress measurementC. 4th International Conference on Experimental Mechanics. Nanjing, Nov. 8-11, 2008.4.YANGUANG ZHAO, XINGLIN GUO, MINGFA REN, XIAOGANG WANG. Lock-in thermography method for the NDT of composite materialsC. 4th International Conference on Experimental Mechanic
28、s . Nanjing, Nov. 8-11, 2008.5.王晓钢，郭杏林. 基于红外热像的疲劳评估方法的实验研究C. 中国力学学术大会 20096.郭杏林，赵延广, 张传豹. 疲劳试验过程中的实时锁相红外热成像无损检测技术C.中国力学学术大会 2009论文发表情况论文发表情况7. XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINLING GUO, YANGUANG ZHAO. Quantitative thermographic methodology for fatigue assessment and stress measurementJ . Internatio
29、nal Journal of Fatigue, 2010, 32:1970-1976.8. 赵延广，郭杏林，任明法.含缺陷疲劳试件的锁相红外热成像无损检测J.光学学报，2010，30(10):2776-2781.9. YANGUANG ZHAO, XINLING GUO, MINGFA REN. Lock-in infrared thermography for non-destructive testing of grid stiffened composite structureJ. Advanced Science Letters ，accepted.10.YANGUANG ZHAO,
30、XINLING GUO, MINGFA REN. Lock-in Infrared Thermography for the Non-destructive Testing of Fatigue Specimen J.Applied Mechanics and Materials ,accepted.11. XINLING GUO, JUNLING FAN, YANGUANG ZHAO. Fatigue behavior analysis of cruciform welded joints by infrared thermographic methodC. International Conference on Manufacturing Science and Engineering，accepted.12. 赵延广，郭杏林，任明法. 基于锁相红外热成像理论的复合材料网格加筋结构的无损检测J. 复合材料学报,已录用.谢谢 谢谢 Thank Thank YouYou
