摘 要

复合材料已经广泛应用于航空航天、机械制造等诸多领域，复合材料在制作和使用的过程中很容易产生缺陷，缺陷极有可能造成很大的事故以及附加的人员以及财产的损失，极大地影响了材料的使用性能，因此有必要对其进行无损检测。本文根据传热学原理分析了内部含有缺陷和脱粘的材料表面温差，先通过Gambit建立不同厚度以及不同半径的缺陷模型，再采用目前比较流行的CFD软件包Fluent模拟非金属材料脱粘缺陷的红外无损检测过程，分析不同类型的典型缺陷对检测物导热过程的影响，并对后续产生的数据运用Origin进行处理，继而得出结果分析所需要的数据信息，为红外无损检测的实际实验提供理论依据。模拟结果表明：使用温度梯度表征缺陷的大小和程度是比较合理的。

关键词：非金属材料；脱粘；无损检测；数值模拟

Abstract

Composite materials have been widely used in aerospace, mechanical manufacturing and many other fields. In the process of manufacture and use of composite materials, it is easy to produce defects, which are likely to cause great accidents and the loss of additional personnel and property. It has greatly affected the performance of materials, so it is necessary to carry out nondestructive testing. Based on the principle of heat transfer, the surface temperature difference of materials containing defects and debonding is analyzed. Firstly, the defect models with different thickness and radius are established by Gambit. Infrared nondestructive testing of debonding defects of non-metallic materials is simulated by CFD software package Fluent which is popular at present. The process analyzes the influence of different types of typical defects on the heat conduction process of the detection object, and then processes the data generated by Origin, and then obtains the data information needed for the analysis of the results. It provides a theoretical basis for the practical experiment of infrared nondestructive testing. The simulation results show that it is reasonable to use temperature gradient to characterize the size and degree of defects.

Key Words:non-metallic material; debond; nondestructive examination; numerical simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

1.1课题研究背景及意义 1

1.2红外热成像无损检测技术概述 1

1.3国内外研究现状 2

1.4课题研究方法 4

1.4.1任务总体目标 4

1.4.2数值模拟简述 4

2.1热传导理论 6

2.2一维稳态导热分析 6

2.3红外热波无损检测技术原理 7

2.4问题简化 8

2.4.1激励辐射热流密度 8

2.4.2分辨率分析 9

3.1软件介绍 10

3.1.1 Gambit 10

3.1.2 Fluent 10

3.1.3 Origin 10

3.2二维模型设置 11

3.3单个缺陷三维模型设置 12

3.4物性参数设置 13

第四章 数据处理与结果分析 14

4.1二维模拟结果 14

4.1.1材料表面温度随时间的变化 14

4.1.2缺陷边界的确定 16

4.1.3缺陷程度的确定 18

4.2三维模拟验证 20

4.2.1表面温度 20

4.2.2表面温度梯度 21

第五章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

随着科学技术的快速发展，生产型企业对制造工艺提出了更高的要求，这就意味着无损检测技术要方便快捷、精确、经济且可靠，这种情况下传统的无损探伤技术已经无法满足社会的更高要求，表现出了局限性，基于此红外无损检测技术就应运而生了。生产实践时，在粘接胶接材料的过程中，有时在制造手法不恰当、人工操作不稳定、材料自身也存在缺陷以及外界环境条件不良的情况下，会导致胶接材料内部以及表面产生气泡、分层等缺陷，肉眼一般无法发现这些缺陷的存在，这会引起极大的安全隐患，对人们的生命以及财产安全造成极大的威胁。材料制造质量是否达到指标需要通过无损检测技术对产品的内部质量进行鉴定，从而确保产品质量满足设计的基本要求。在工程应用中，非金属材料（如聚乙烯）常常作为保温材料、防腐材料粘贴在金属设备（如管道）的表面。在粘贴过程中由于工作操作不当等原因可能导致粘贴质量不合格，进而导致非金属材料脱落，失去保温、防腐的功能，引发安全问题。粘贴质量一般采用粘结力表征，即将粘贴材料通过破坏性剥离所需的力的大小，而目前采用红外热成像技术进行无损检测得到越来越广泛的关注。本研究采用数值模拟方法研究不同粘贴质量在激励热源下的表面温度变化特征，为红外无损检测实际实验实验提供理论依据以及提供前期实验结果的预演，从而对提高航空航天领域，多种军、民用工业器件的设备安全可靠性具有重大意义。本文主要对工程应用中防腐材料粘贴质量红外热成像检测中涉及的导热问题，对片状缺陷问题进行传热理论分析和数值仿真计算，以分析粘贴缺陷的大小和程度与防腐材料表面温度的关系。

1.2红外热成像无损检测技术概述