熱像法的原理與應(yīng)用

1、 疲勞與無損檢測疲勞與無損檢測紅外熱像反映的是物體表面的溫度分布，而溫度是自然紅外熱像反映的是物體表面的溫度分布，而溫度是自然界中物體狀態(tài)最普適的參數(shù)之一。界中物體狀態(tài)最普適的參數(shù)之一。作為一種物體狀態(tài)的檢測手段，紅外熱像法具有無損、作為一種物體狀態(tài)的檢測手段，紅外熱像法具有無損、實時及非接觸的優(yōu)點，在科學(xué)研究中獲得了廣泛的應(yīng)用實時及非接觸的優(yōu)點，在科學(xué)研究中獲得了廣泛的應(yīng)用。疲勞熱像法作為熱像法最有希望的研究方向之一，在用疲勞熱像法作為熱像法最有希望的研究方向之一，在用于快速獲取金屬疲勞性能于快速獲取金屬疲勞性能( (疲勞極限和疲勞極限和S-N)S-N)方面，更是引方面，更是引起了學(xué)術(shù)界及工

2、業(yè)界的強烈興趣起了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的強烈興趣疲勞是一個能量耗散的過程。這里所說的能量包括了儲能疲勞是一個能量耗散的過程。這里所說的能量包括了儲能與熱耗散，其中儲能是材料內(nèi)部缺陷與損傷狀態(tài)的體現(xiàn)，與熱耗散，其中儲能是材料內(nèi)部缺陷與損傷狀態(tài)的體現(xiàn)，可通過材料微觀結(jié)構(gòu)的變化來描述，但其大小則需要借助可通過材料微觀結(jié)構(gòu)的變化來描述，但其大小則需要借助材料的熱耗散間接獲得。材料的熱耗散間接獲得。疲勞熱像法即借助于紅外熱像測試系統(tǒng)，通過記錄試件在疲勞熱像法即借助于紅外熱像測試系統(tǒng)，通過記錄試件在動態(tài)載荷作用下的熱像數(shù)據(jù)，并結(jié)合疲勞能量方法進行分動態(tài)載荷作用下的熱像數(shù)據(jù)，并結(jié)合疲勞能量方法進行分析，進而對材料

3、或結(jié)構(gòu)本身的疲勞特性進行快速的評估。析，進而對材料或結(jié)構(gòu)本身的疲勞特性進行快速的評估。簡言之，疲勞熱像法即將熱像法應(yīng)用于疲勞研究中。簡言之，疲勞熱像法即將熱像法應(yīng)用于疲勞研究中。 金屬材料在交變載荷的作用下，由于熱彈性金屬材料在交變載荷的作用下，由于熱彈性&熱塑性效應(yīng)的作用，熱塑性效應(yīng)的作用，將會產(chǎn)生溫度的波動與上升。溫度的變化反映材料表面的應(yīng)力分將會產(chǎn)生溫度的波動與上升。溫度的變化反映材料表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，進而對材料的疲勞損傷狀態(tài)具有描述能力。布狀態(tài)，進而對材料的疲勞損傷狀態(tài)具有描述能力。滯彈性應(yīng)變能等塑性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能聲發(fā)射其他能耗機械能耗機械能耗能量耗散過程能量耗散過程疲勞損

4、傷的疲勞損傷的快速獲取疲勞參數(shù)快速獲取疲勞參數(shù) 斷裂力學(xué)應(yīng)用斷裂力學(xué)應(yīng)用 損傷評估與健康監(jiān)測損傷評估與健康監(jiān)測 紅外熱像法技術(shù)一種實時、全場及非接觸的無損檢測手段，最紅外熱像法技術(shù)一種實時、全場及非接觸的無損檢測手段，最初被用在軍事領(lǐng)域。隨著人們對材料力學(xué)行為與溫度變化之間初被用在軍事領(lǐng)域。隨著人們對材料力學(xué)行為與溫度變化之間關(guān)系認識的不斷深入，熱像法開始被應(yīng)用于疲勞斷裂研究中。關(guān)系認識的不斷深入，熱像法開始被應(yīng)用于疲勞斷裂研究中。疲勞試驗疲勞理論建立與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有疲勞試驗疲勞理論建立與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有不可代替的重要性。然而傳統(tǒng)疲勞試驗方法存在著試驗周期長、

5、不可代替的重要性。然而傳統(tǒng)疲勞試驗方法存在著試驗周期長、成本高、數(shù)據(jù)離散等先天不足。成本高、數(shù)據(jù)離散等先天不足。通過新興的疲勞熱像法，有望只通過幾根試件，花幾天時間便通過新興的疲勞熱像法，有望只通過幾根試件，花幾天時間便可獲取金屬材料或構(gòu)件的疲勞參數(shù)。該技術(shù)的研究，可用于實可獲取金屬材料或構(gòu)件的疲勞參數(shù)。該技術(shù)的研究，可用于實現(xiàn)疲勞試驗的快速化，提高試驗效率，縮短研發(fā)周期，從而引現(xiàn)疲勞試驗的快速化，提高試驗效率，縮短研發(fā)周期，從而引起了學(xué)者與工程師們的極大興趣。起了學(xué)者與工程師們的極大興趣。1830 固體材料的熱彈性效應(yīng) Kelvin1963 固體材料的熱塑性效應(yīng) Dillon&Kra

6、tochvil1968 紅外輻射測量儀器的應(yīng)用范圍研究 Belgen1978 熱輻射應(yīng)力圖像分析技術(shù)（SPATE） Mountain&Weber1986 快速測定疲勞極限的熱像法 Risitano1990 基于固有耗散的疲勞極限快測法 Luong1994 利用鎖相熱像法提取熱彈性耗散效應(yīng) Brmond1994 至今至今 鎖相熱像法的深入研究 Chrysochoos, et al 2000 至今至今 熱像法在金屬疲勞中的研究 Liaw, Crupi, et alTTCp 熱彈性效應(yīng)：彈性拉伸載荷將引起材料溫度的降低，而熱彈性效應(yīng)：彈性拉伸載荷將引起材料溫度的降低，而彈性壓縮載荷將引起材料

7、溫度的升高。由于熱彈性效應(yīng)彈性壓縮載荷將引起材料溫度的升高。由于熱彈性效應(yīng)引起的溫度變化十分微小，故在很長的時期內(nèi)并沒能引引起的溫度變化十分微小，故在很長的時期內(nèi)并沒能引起人們的注意。起人們的注意。TTCp mKCpKm熱彈性系數(shù)熱彈性系數(shù)這里，這里，是線膨脹系數(shù)，是線膨脹系數(shù)，是是材料密度，材料密度，Cp是是等等壓壓比熱。比熱。mK熱塑性效應(yīng)指出：塑性應(yīng)變能是材料在疲勞破壞中機械熱塑性效應(yīng)指出：塑性應(yīng)變能是材料在疲勞破壞中機械能耗的主體，絕大部分將以熱耗散的形式釋放出去，進能耗的主體，絕大部分將以熱耗散的形式釋放出去，進而引起材料表明溫度的升高，并維持著溫度場的平衡。而引起材料表明溫度的升高

8、，并維持著溫度場的平衡。pcw2vctmcC TKTrww20世紀(jì)世紀(jì)60年代，疲勞能量方法主要集中在熱塑性效應(yīng)的研究。年代，疲勞能量方法主要集中在熱塑性效應(yīng)的研究。許多學(xué)者都嘗試在循環(huán)滯回能與材料低周疲勞之間建立關(guān)系。許多學(xué)者都嘗試在循環(huán)滯回能與材料低周疲勞之間建立關(guān)系。許多基于應(yīng)變能耗的疲勞損傷模型被提出許多基于應(yīng)變能耗的疲勞損傷模型被提出,這些模型的共同特點這些模型的共同特點是：以某種形式的應(yīng)變能表征疲勞損傷，當(dāng)這種形式的應(yīng)變能是：以某種形式的應(yīng)變能表征疲勞損傷，當(dāng)這種形式的應(yīng)變能積累到某個極限值時，材料將發(fā)生破壞。積累到某個極限值時，材料將發(fā)生破壞。而一些研究發(fā)現(xiàn)，疲勞過程中所消耗的應(yīng)

9、變能與加載狀態(tài)有關(guān)而一些研究發(fā)現(xiàn)，疲勞過程中所消耗的應(yīng)變能與加載狀態(tài)有關(guān),并不能直接與疲勞損傷之間建立某種關(guān)系。并不能直接與疲勞損傷之間建立某種關(guān)系。 于是人們開始關(guān)注于疲勞過程中的能量耗散現(xiàn)象，嘗于是人們開始關(guān)注于疲勞過程中的能量耗散現(xiàn)象，嘗試從非平衡熱力學(xué)的角度重新認識疲勞問題試從非平衡熱力學(xué)的角度重新認識疲勞問題 。意大利學(xué)者意大利學(xué)者Risitano等人最早提出了快速測定金屬材料疲勞極等人最早提出了快速測定金屬材料疲勞極限的熱像法，該方法將疲勞極限定義為周期載荷下引起材料限的熱像法，該方法將疲勞極限定義為周期載荷下引起材料表面平均溫度升高的最小應(yīng)力值。表面平均溫度升高的最小應(yīng)力值。u在

10、各級應(yīng)力水平下加載在各級應(yīng)力水平下加載u記錄平衡階段的溫升值記錄平衡階段的溫升值u將數(shù)據(jù)插入到應(yīng)力將數(shù)據(jù)插入到應(yīng)力溫升圖溫升圖u觀察到圖中明顯的拐點現(xiàn)象觀察到圖中明顯的拐點現(xiàn)象u通過一線擬合法確定疲勞極限通過一線擬合法確定疲勞極限試驗步驟試驗步驟疲勞極限疲勞極限法國學(xué)者法國學(xué)者Luong對疲勞耗散過程的熱源展開了分析：對疲勞耗散過程的熱源展開了分析：上式中，熱源被分為外外熱源熱源、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)、熱彈性源熱彈性源及固有耗散源固有耗散源。外熱源表示由于一些內(nèi)部或外界因素所引起的熱噪聲。熱傳導(dǎo)將改變試件表面的溫度場，使其趨于均勻分布。熱彈性源是由材料的彈性效應(yīng)所引起的可逆的熱力學(xué)現(xiàn)象。固有耗散源是由

11、材料的非彈性效應(yīng)所引起的不可逆的熱力學(xué)現(xiàn)象，它所產(chǎn)生的能量絕大部分會以熱耗散的形式釋放出去。Luong認為材料的能量耗散與疲勞損傷之間存在著密認為材料的能量耗散與疲勞損傷之間存在著密切聯(lián)系，可將固有耗散率作為最準(zhǔn)確的疲勞指標(biāo)。切聯(lián)系，可將固有耗散率作為最準(zhǔn)確的疲勞指標(biāo)。420(:):eIvC TrKTD E TS ELuong法對Risitano法的改進：利用能量方程進行了較深入的理論分析。利用能量方程進行了較深入的理論分析。僅考慮耗散效應(yīng)，排除了可逆的熱彈性效應(yīng)。僅考慮耗散效應(yīng)，排除了可逆的熱彈性效應(yīng)。采用二線擬合法確定疲勞極限。采用二線擬合法確定疲勞極限。00.050.10.150.20.

12、250.30.3501020304050607080荷重(kN) 載荷（KN）疲勞極限疲勞極限溫升（）鎖相熱成像技術(shù)鎖相熱成像技術(shù) (Lock-in Thermography Technology)作為作為一種新興的紅外熱像技術(shù)，可用于一種新興的紅外熱像技術(shù)，可用于測量及評估測量及評估材料材料或構(gòu)件或構(gòu)件在在周期載荷下的周期載荷下的熱彈性效應(yīng)熱彈性效應(yīng)。鎖相技術(shù)可通過傅立葉運算有效提高信噪比鎖相技術(shù)可通過傅立葉運算有效提高信噪比鎖相熱像法測量的是與載荷變化相關(guān)的溫度變化鎖相熱像法測量的是與載荷變化相關(guān)的溫度變化測量結(jié)果是熱彈性溫度變化的峰峰值測量結(jié)果是熱彈性溫度變化的峰峰值鎖相技術(shù)提供不同的信

13、號處理方法：鎖相技術(shù)提供不同的信號處理方法：鎖相傅立葉轉(zhuǎn)換鎖相傅立葉轉(zhuǎn)換 關(guān)聯(lián)運算關(guān)聯(lián)運算鎖相鎖相 周期信號分析周期信號分析隨機信號分析隨機信號分析運動補償運動補償 根據(jù)熱彈性效應(yīng)，應(yīng)力與溫升之間存在著根據(jù)熱彈性效應(yīng)，應(yīng)力與溫升之間存在著180180度的相位差。度的相位差。通過鎖相技術(shù)，可對加載信號進行時鐘信號模擬，使力激通過鎖相技術(shù)，可對加載信號進行時鐘信號模擬，使力激勵與溫度響應(yīng)做到同步顯示。勵與溫度響應(yīng)做到同步顯示。熱信號熱信號信號處理信號處理鎖相鎖相加載信號加載信號試試件件熱彈性模式（熱彈性模式（Thermo-Elastic Mode） 可進行熱彈性效應(yīng)分析可進行熱彈性效應(yīng)分析 用于應(yīng)

14、力測量（用于應(yīng)力測量（SPATE法）法）TTCp耗散模式（耗散模式（Dissipation Mode） 提取熱彈性源中的耗散效應(yīng)提取熱彈性源中的耗散效應(yīng) 可用于疲勞分析，計算固有耗散可用于疲勞分析，計算固有耗散此外，還有普通模式，用于直接測量物體表面溫度變化。E模式模式D模式模式在高于材料疲勞極限的應(yīng)力水平下，應(yīng)力溫升會呈現(xiàn)出非線性。將熱彈性溫升的漂移值定義為材料的固有耗散，記為 。固有耗散指標(biāo)可用于對材料的疲勞損傷程度進行表征，并可通固有耗散指標(biāo)可用于對材料的疲勞損傷程度進行表征，并可通過過Luong法直接獲取其疲勞極限法直接獲取其疲勞極限。)()(theoryEtestEDTTTDT工作原

15、理圖工作原理圖試驗現(xiàn)場圖試驗現(xiàn)場圖陣列式中波紅外相機（320240個探測元件）波長響應(yīng)：3-5 m熱靈敏性：25等效噪聲下等效噪聲下 25mk，通?？蛇_，通?？蛇_10mk測溫范圍：-20-1500最高幀幅率：500 Hz積分時間：10s空間分辨率：深度不同材料的探測深度：不同材料的探測深度： 玻璃-環(huán)氧樹脂 16 mm碳-環(huán)氧樹脂 8 mm鋼 5 mm鋁 4 mm用于航空航天器的復(fù)合材料用于航空航天器的復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壓力容器與承載裝置壓力容器與承載裝置W. Bai和和B. S. Won在在2000年提出了對流條件年提出了對流條件下有限厚度單層熱像模型和多層

16、熱像模型。下有限厚度單層熱像模型和多層熱像模型。 多層熱像模型多層熱像模型 周期載荷周期載荷分析物體結(jié)構(gòu)，建立合適的模型，確定物體的分析物體結(jié)構(gòu)，建立合適的模型，確定物體的熱物性參數(shù)；熱物性參數(shù)；劃分單元，選擇瞬態(tài)熱分析；劃分單元，選擇瞬態(tài)熱分析；選擇理想的加載頻率，編寫加載函數(shù)，提取數(shù)選擇理想的加載頻率，編寫加載函數(shù)，提取數(shù)據(jù)的間隔時間要合理；據(jù)的間隔時間要合理；求解，分析溫度云圖和某一點的溫度求解，分析溫度云圖和某一點的溫度時間歷時間歷程曲線圖；程曲線圖；提取數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。提取數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。背面有筋板碳纖維復(fù)合背面有筋板碳纖維復(fù)合材料平板。其規(guī)格為：長材料平板。其規(guī)格為：長350mm，

17、寬，寬250mm，平，平板厚度為板厚度為3mm，筋板處，筋板處的厚度為的厚度為2mm，其中兩，其中兩個筋板下半部有不同程度個筋板下半部有不同程度的開裂的開裂 。如圖所示，按照如圖所示，按照 W. Bai模型，預(yù)測當(dāng)頻率為模型，預(yù)測當(dāng)頻率為0.12Hz時，時，最大相位差絕對值為最大相位差絕對值為最大相位差絕對值為最大相位差絕對值為16.83，此，此時圖像對比度應(yīng)該最晰。時圖像對比度應(yīng)該最晰。 由鎖相紅外熱像系由鎖相紅外熱像系統(tǒng)分析得到的相位圖統(tǒng)分析得到的相位圖可清楚看到板材背后的條狀加筋板可清楚看到板材背后的條狀加筋板選用高頻檢測時，不能看到筋板的具體位置；而選用選用高頻檢測時，不能看到筋板的具

18、體位置；而選用低頻則可以分辨出筋板的不同。原因是高頻熱波在傳低頻則可以分辨出筋板的不同。原因是高頻熱波在傳播過程中衰減較快，穿透能力弱。播過程中衰減較快，穿透能力弱。由圖中可看出，曲線顯示的四個波谷即為對由圖中可看出，曲線顯示的四個波谷即為對應(yīng)的四條筋板所成的相位圖像。應(yīng)的四條筋板所成的相位圖像。頻率是鎖相加熱紅外無損檢測中一個最為關(guān)鍵的參數(shù)。最頻率是鎖相加熱紅外無損檢測中一個最為關(guān)鍵的參數(shù)。最佳的頻率能使設(shè)備準(zhǔn)確清晰的檢測到缺陷；相應(yīng)地，正確佳的頻率能使設(shè)備準(zhǔn)確清晰的檢測到缺陷；相應(yīng)地，正確的頻率設(shè)置也能使有限元數(shù)值模擬對物體呈現(xiàn)更為清晰的的頻率設(shè)置也能使有限元數(shù)值模擬對物體呈現(xiàn)更為清晰的圖

19、像。從這個角度來說，二者是一致的。但是，由于實際圖像。從這個角度來說，二者是一致的。但是，由于實際檢測和數(shù)值模擬的本身差異性的存在，二者在最佳檢測頻檢測和數(shù)值模擬的本身差異性的存在，二者在最佳檢測頻率取值上又不可能完全一致，所以我們只能用數(shù)值模擬的率取值上又不可能完全一致，所以我們只能用數(shù)值模擬的頻率去預(yù)測或者修正實際檢測時所使用的頻率，進而提高頻率去預(yù)測或者修正實際檢測時所使用的頻率，進而提高我們的檢測效率和檢測效果。我們的檢測效率和檢測效果。預(yù)埋缺陷的碳纖維復(fù)合預(yù)埋缺陷的碳纖維復(fù)合材料平板。板規(guī)格為：長材料平板。板規(guī)格為：長340mm，寬，寬270mm，厚，厚1m，用八層碳纖維鋪設(shè)，用八層

20、碳纖維鋪設(shè)而成，每層碳纖維的厚度而成，每層碳纖維的厚度為為0.125mm，在平板的中，在平板的中心處預(yù)埋了一層圓片形一心處預(yù)埋了一層圓片形一層 特 氟 綸 ， 其 厚 度 為層 特 氟 綸 ， 其 厚 度 為0.1mm?？梢钥闯觯腥毕萏幣c其他處相比，相位差明顯。如可以看出，有缺陷處與其他處相比，相位差明顯。如果物體內(nèi)部或背面有孔，則空處對應(yīng)的相位比其他部果物體內(nèi)部或背面有孔，則空處對應(yīng)的相位比其他部分要滯后，這是因為此處相當(dāng)于變薄。分要滯后，這是因為此處相當(dāng)于變薄。 由鎖相紅外熱像系由鎖相紅外熱像系統(tǒng)分析得到的相位圖統(tǒng)分析得到的相位圖可以看到預(yù)埋缺陷的形狀，但形狀卻呈可以看到預(yù)埋缺陷的形狀，

21、但形狀卻呈橢圓形，邊界并不易準(zhǔn)確識別橢圓形，邊界并不易準(zhǔn)確識別。由圖中可看出，預(yù)埋缺陷處的相位值要明顯由圖中可看出，預(yù)埋缺陷處的相位值要明顯高于周邊區(qū)域。高于周邊區(qū)域。由圖中可看出，預(yù)埋缺陷處的相位值要明顯由圖中可看出，預(yù)埋缺陷處的相位值要明顯高于周邊區(qū)域。高于周邊區(qū)域。其他應(yīng)用鈦合金焊接蜂窩夾層結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢測碳纖維層合板鉆孔加工后損傷檢測無論是實際檢測的成像形狀，還是有限元數(shù)值模擬時產(chǎn)無論是實際檢測的成像形狀，還是有限元數(shù)值模擬時產(chǎn)生的圖像形狀，他們都是缺陷形狀的近似反應(yīng)，按照傳生的圖像形狀，他們都是缺陷形狀的近似反應(yīng)，按照傳熱學(xué)的基本原理，熱圖像都有溫度梯度的變化，二者不熱學(xué)的基本原理，

22、熱圖像都有溫度梯度的變化，二者不同的是，實際檢測時，當(dāng)缺陷性質(zhì)不足以影響到在表面同的是，實際檢測時，當(dāng)缺陷性質(zhì)不足以影響到在表面的圖像時，圖像會出現(xiàn)邊緣模糊現(xiàn)象，有時候可能會根的圖像時，圖像會出現(xiàn)邊緣模糊現(xiàn)象，有時候可能會根本與其他地方一致，缺陷不能被分辨出來，數(shù)值模擬也本與其他地方一致，缺陷不能被分辨出來，數(shù)值模擬也存在這個現(xiàn)象，但是這與有限元軟件本身的計算的精度存在這個現(xiàn)象，但是這與有限元軟件本身的計算的精度有關(guān)，即有限元數(shù)值模擬更容易的分辨處邊界的不同。有關(guān)，即有限元數(shù)值模擬更容易的分辨處邊界的不同。實際檢測更取決于材料本身和缺陷性質(zhì)，而有限元數(shù)值實際檢測更取決于材料本身和缺陷性質(zhì)，而有

23、限元數(shù)值模擬更取決于計算精度。模擬更取決于計算精度。郭杏林, 王曉鋼. 疲勞熱像法研究綜述J. 力學(xué)進展, 2009, 39(2):217-227. 郭杏林, 王曉鋼. 基于鎖相熱像法的金屬疲勞特性評估方法研究J. 機械強度, 2009, 31(2):1-7. XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINGLIN GUO, YANGUANG ZHAO. Lock-in thermographic methodology for fatigue assessment and nonlinear stress measurementC. 4th International

24、Conference on Experimental Mechanics. Nanjing, Nov. 8-11, 2008.YANGUANG ZHAO, XINGLIN GUO, MINGFA REN, XIAOGANG WANG. Lock-in thermography method for the NDT of composite materialsC. 4th International Conference on Experimental Mechanics . Nanjing, Nov. 8-11, 2008.王曉鋼，郭杏林. 基于紅外熱像的疲勞評估方法的實驗研究C. 中國力學(xué)學(xué)術(shù)大會 2009郭杏林，趙延廣, 張傳豹. 疲勞試驗過程中的實時鎖相紅外熱成像無損檢測技術(shù)C.中國力學(xué)學(xué)術(shù)大會 20097. XIAOGANG WANG, VINCENZO CRUPI, XINLING GUO, YANGUANG ZHAO. Qu