阅读说明：本技术 一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型 (Halogen lamp excitation infrared thermal imaging nondestructive testing simulation model based on coating ) 是由 丁祖群 梁鑫 朱丽 高斌 邱静 程红霞 于 2019-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型,基于有限元的多物理场建模并采用ANSYS或COMSOL软件进行仿真,采用纯铝代替铝合金,采用铁代替功能涂层；忽略磷化底漆/TB06-9底漆以及底面漆层,用空气代替PVC层。本发明极大地降低了有限元仿真的计算复杂度,同时仿真结果与实验结果有极高的相关性。(The invention discloses a halogen lamp excitation infrared thermal imaging nondestructive testing simulation model based on a coating, which is based on finite element multi-physical field modeling and adopts ANSYS or COMSOL software for simulation, pure aluminum is adopted to replace aluminum alloy, and iron is adopted to replace a functional coating; the phosphatized primer/TB 06-9 primer and basecoat were omitted, with air replacing the PVC layer. The invention greatly reduces the computational complexity of finite element simulation, and simultaneously, the simulation result has extremely high correlation with the experimental result.)

一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型

技术领域

本发明属于无损检测的技术领域，具体涉及一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型。

背景技术

无损检测技术以不破坏被测物体内部结构为前提，应用物理的方法，检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构，检查物体内部是否存在不连续性，从而判断被测物体是否合格，进而评价其适用性，它是控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要手段。卤素灯激励红外热成像将光与热成像技术结合，可实现大范围缺陷的快速检测，近年来在复合材料无损检测领域得到广泛的研究，成为分析复合材料失效原因的重要手段。仿真是各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，合适的有限元仿真模型，能够大大减少计算复杂度，更贴合实际情况，对实验分析有重要的辅助作用。

卤素灯激励红外热成像检测办法原理如图1所示，计算机控制触发器产生触发信号，同时打开卤素灯和红外摄像仪，并设置有激励时间。以脉冲方式的热源(卤素灯)加热带缺陷的试件，在趋于热平衡的过程中，其表面温场的空间和时间变化方式不仅与物体材料有关，也受物体内部结构和不均匀性的影响，热波的传播方式由试件的材料特性、几何边界形状和边界条件决定。大多情况下试件内部的缺陷使得热非均匀传播。试件表面下热传导非均匀性在试件表面形成非均匀温场。利用红外摄像仪记录试件表面的红外辐射并将人眼不可见的红外辐射转化成可见的温度图像。通过这些信息可以分析材料结构和材料内部的缺陷和材料的均匀性问题。

然而，缺陷检测灵敏度的提高与激励源参数设置密不可分，如光源的功率、光源距试件的距离，激励时间等等。这些参数如果一一通过实验来验证，需要耗费非常多的精力，并且误差也会很大，容易出错。而如果我们能够找到合适的仿真模型来模拟实验环境，得到贴近实验的结果，这将在很大程度上帮助进行涂层材料缺陷检测的研究，减少实验工作量和实验误差，因此，光激励热成像无损检测的仿真模型构建具有很重要的现实意义。

目前，对卤素灯激励红外热成像检测方法的仿***要使用ANSYS和COMSOL两种软件，对于光激励，又有使用热通量和热辐射源两种方法。而针对涂层材料，其各层属性如表1所示，带有缺陷的试件示意图如图2所示，仿真模型建立时存在以下缺点：

由于第一层和第三层漆层过薄，在建立几何模型时，会使计算复杂度非常的庞大，难以得到仿真结果。同时，仿真模型的参数设置不当，也难以与实际实验结果相符，无法与实验对比。

表1试件各层材料参数

	厚度	密度
			铝合金	1mm	--
功能涂层	0.3-0.6mm	面密度≤2kg/m2
			磷化底漆	5-15μm	1.7-1.8g/cm3
TB06-9底漆	5-25μm	1.7-1.8g/cm3
			PVC(模拟缺陷)	0.1mm	--

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型，旨在克服现有的仿真中计算复杂度非常的庞大的问题，本发明极大地降低了有限元仿真的计算复杂度，同时仿真结果与实验结果有极高的相关性。

本发明主要通过以下技术方案实现：一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型，基于有限元的多物理场建模并采用ANSYS或COMSOL软件进行仿真，采用纯铝代替铝合金，采用铁代替功能涂层；忽略磷化底漆/TB06-9以及底面漆层，用空气代替PVC层。

为了更好的实现本发明，进一步的，所述纯铝的参数为：导热系数为238W/m·k、常压热容为900J/kg·k、密度为2700Kg/m³、电导率为3.774s/m以及相对介电常数和相对磁导率均为1；所述铁的参数为：导热系数为44.5W/m·k、常压热容为475J/kg·k、密度为7850Kg/m³、电导率为4.032s/m以及相对介电常数和相对磁导率均为1。

为了更好的实现本发明，进一步的，采用点光源作为辐射源，并将点光源的传热系数设置为4-7W/m²·k，功率设置为50000w，激励时间为1s。

为了更好的实现本发明，进一步的，将点光源的位置设置为距试件表面中心1000mm的位置。

为了更好的实现本发明，进一步的，试件的尺寸为120mm×70mm×1.6mm的长方体。

本发明目的在于克服目前仿真方法的不足，提出了一种针对涂层材料的简化模型。首先简化模型极大地降低了有限元仿真的计算复杂度，同时仿真结果与实验结果有极高的相关性，模型的三视图及立体图如图3所示。

本发明具体技术方案如下：

1.根据铝合金其80％-99％的成分为铝，因此用铝代替铝合金：铝合金主要由铝、硅、铁、铜等构成，其中根据材料不同，铝的成分一般需要占到80％-99％，因此，这里选用了纯铝代替铝合金；

2.根据功能涂层的主要成分是铁，因此用铁代替功能涂层，由于功能涂层的主要成分是铁，其他参数并不明确，所以这里选用铁来代替功能涂层；

3.忽略磷化底漆/TB06-9以及底面漆层：这两漆层的厚度都是微米级的，而铝层和功能涂层均为毫米级，是漆层的100-1000倍，在仿真中可以忽略，因此忽略磷化底漆/TB06-9以及底面漆层；

4.用空气代替PVC层；

5.仿真模型材料参数设置如表2所示；

6.为了减小有限元模型的计算复杂度，将试件的尺寸设为120mm×70mm×1.6mm的长方体。

7.采用点光源作为辐射源，将传热系数设置为4-7w/(m2*k)，功率设置为50000w，激励时间为1s，为了得到卤素灯激励红外热成像的最优结果，将点光源的位置设置到距试件表面中心1000mm的位置。

须指出，在本说明所述模型的基础上延伸发散或改动得出的模型均算在所述模型之列内，如改变模型各结构的尺寸大小，改变点光源的各参数等。

本发明的有益效果：

(1)采用纯铝代替铝合金，采用铁代替功能涂层；忽略磷化底漆/TB06-9底漆以及底面漆层，用空气代替PVC层。本发明极大地降低了有限元仿真的计算复杂度，同时仿真结果与实验结果有极高的相关性。

(2)所述纯铝的参数为：导热系数为238W/m·k、常压热容为900J/kg·k、密度为2700Kg/m³、电导率为3.774s/m以及相对介电常数和相对磁导率均为1；所述铁的参数为：导热系数为44.5W/m·k、常压热容为475J/kg·k、密度为7850Kg/m³、电导率为4.032s/m以及相对介电常数和相对磁导率均为1。本发明降低有限元仿真的计算复杂度的同时，通过参数的设置实现了仿真结果与实验结果有极高的相关性，具有较好的实用性。

(3)采用点光源作为辐射源，并将点光源的传热系数设置为4-7W/m²·k，功率设置为50000w，激励时间为1s。本发明的仿真结果与实验结果有极高的相关性，具有较好的实用性。

(4)将点光源的位置设置为距试件表面中心1000mm的位置，得到卤素灯激励红外热成像的最优结果，本发明的仿真结果与实验结果有极高的相关性，具有较好的实用性。

附图说明

图1为卤素灯激励红外热成像检测的原理图；

图2为带有缺陷的试件的俯视图和侧视图；

图3为仿真模型的三视图；

图4为模型各尺寸缺陷的仿真2D热图；

图5为缺陷试件的卤素灯激励红外热成像图像经PCA处理后的结果图；

图6为模型5mm尺寸缺陷仿真和实验的温度时间曲线图；

图7为模型不同尺寸缺陷加热阶段仿真和实验的温度时间曲线图；

图8为缺陷试件中线定义图；

图9为中线处不同直径的缺陷在t＝1s时的温度分布T-x曲线图；

图10为缺陷实际尺寸与仿真尺寸关系图。

其中，1-试件、3-卤素灯、4-卤素灯、5-触发器、6-计算机、7-红外摄像仪。

具体实施方式

实施例1：

一种基于涂层的卤素灯激励红外热成像无损检测仿真模型，基于有限元的多物理场建模并采用ANSYS或COMSOL软件进行仿真，采用纯铝代替铝合金，采用铁代替功能涂层；忽略磷化底漆/TB06-9底漆以及底面漆层，用空气代替PVC层。所述纯铝和铁的参数如表2所示：

表2模型材料参数设置

本发明中的试件1的尺寸为120mm×70mm×1.6mm的长方体。现有的卤素灯激励红外热成像检测办法原理如图1所示，计算机6控制触发器5产生触发信号，同时打开卤素灯3、4和红外摄像仪7，并设置有激励时间。以脉冲方式的热源(卤素灯3、4)加热带缺陷的试件1。

其中仿真方式可采用ANSYS和COMSOLMultiphysics两种软件，本说明基于有限元的多物理场建模并采用COMSOL进行仿真，现先对实验步骤进行简单说明。

使用基于针对涂层材料的卤素灯激励红外热成像的仿真模型可有如下实验步骤：

为了更好的说明此模型的仿真效果，并降低计算的复杂度，现将各不同尺寸的缺陷试件进行仿真，并对比结果。

根据图3建立三维模型，其中试件的各层的材料及物理属性按表2进行设置，缺陷的直径按表3分别进行设置，点光源的参数为：采用点光源作为辐射源，并将点光源的传热系数设置为4-7W/m²·k，功率设置为50000w，激励时间为1s。将点光源的位置设置为距试件表面中心1000mm的位置。并根据需要设置参考环境温度，本说明设置为293.15K，靠近点光源的表面设置漫反射面。

表3缺陷尺寸

编号	1	2	3	4	5
						φ/mm	3	5	7	10	12

根据缺陷尺寸大小的不同，该模型计算时间在1分30秒到4分钟左右。将得到的原始热图进行处理，选出加热时间结束的那一帧的图像，各尺寸缺陷的2D热图如图4所示；实验得到的结果如图5所示。从图4可以看出，各缺陷区域均出现明显的温升，并随着缺陷尺寸的增大而增大，与图5的实验结果相一致。

以缺陷半径为5mm为例，在试件表面选择缺陷点和非缺陷点，绘出两点的时间温度曲线，实验和仿真结果如图6所示。由图6可以看出在试件加热阶段，实验与仿真曲线的斜率基本一致，特别地，在加热时，缺陷区域与非缺陷区域的温差最大。

下面，我们讨论不同缺陷尺寸在加热阶段，仿真和实验的温度时间曲线如图7所示。经过多项式拟合后，它们的斜率如表4所示。从表4可以看出，仿真和实验的加热阶段温升曲线的斜率是基本相等的，其误差小于0.08，得到了较好的结果。

表4不同尺寸加热阶段温升曲线的实验仿真斜率对比

图7显示了实验中试件表面缺陷点和非缺陷点的时间温度曲线。

从图4可以看出，各缺陷区域均出现明显的温升，并随着缺陷尺寸的增大而增大，与图5的实验结果相一致。从图6的温升曲线可以看出，在缺陷直径为3mm时，缺陷和无缺陷区域温差较小，随着缺陷直径的增大，二者温差越来越明显，当缺陷直径为12mm时，最大温差接近1K，即缺陷尺寸越大，缺陷的辨识度越来越好。

为了更清晰地说明仿真结果与实际结果的高相关性，我们定义试件中线，如图8所示，即位于试件表面中间且平行于直导线的位置。图9为中线处不同直径的缺陷在t＝1s时的温度分布T-x曲线，由该图可看出，缺陷越小，对温度场的扰动半径越小，温升也越小。仿真结果和实际结果各缺陷的尺寸大小如表5所示，其相关曲线如图10所示。从图10可知，缺陷的实际尺寸与仿真尺寸基本成线性关系。

因此，此仿真模型极大地降低了有限元仿真的计算复杂度，同时仿真结果与实验结果有极高的相关性，本仿真模型具有很重要的现实意义。

表5缺陷实际尺寸与仿真尺寸对比

实际尺寸mm/10	30	50	70	100	120
						仿真尺寸mm/10	47	74	94	133	144

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。