复合材料结构目视检测影响因素研究

复合材料结构目视检测影响因素研究航空机械维修01652015010李亮亮随着复合材料在飞机结构中应用的迅速增加，对复合材料的损伤容限维护操作需要予以标准化，复合材料具有与金属相比明显不同的特性，要求特殊的考虑和分析方法。飞机的低速冲击损伤是由操作和维护工作引起的，在工作环境中通常只有很少几次低速冲击损伤的事件,多数都能归结为冰雹撞击和外来物损伤，如跑道碎石。低能量冲击通常引起小尺寸的意外损伤，称之为目视不可见冲击损伤（NVID）或目视勉强可见冲击损伤（BVID）。上世纪九十年代有一个广泛的研究计划（目视检测研究计划，VIRP）来研究人的因素对飞机维护中目视检测的影响，对目视检测有了完整的定义。有4类与其难度和有效程度有关的目视检测方法：巡回检测、一般目视检测、详细目视检测、专门的详细目视检测。FAA的报告中有说明目视检测的意义，认为“大型运输类飞机80%的检测是目视检测，小运输机和通用航空飞机比大运输机更加依赖目视检测技术，目视检测是保障飞机安全的第一道防线，是评估飞机及其零件状态最廉价且最为快捷的方法。因此精确与熟练的目视检测是机群持续安全使用的关键。目视检测可能漏检的冲击损伤会对结构强度、耐久性和稳定性有重大影响。目视检测研究目的是探索目视勉强可见冲击损伤(BVID)的检测方法，以及积累一定的数据和经验，为复合材料结构BVID的确定和定义提供支持和依据。1目视检测影响因素和机理上世纪九十年代在美国已进行过重点考虑人的因素对飞机结构目视检测影响的研究，证明了检测人员的视力、专业资质和检测角度对目视检测结果都有很大影响；Airbus近年来也进行了一系列目视检测研究，用直径6~120mm的冲击头对不同颜色与表面光洁度的复合材料壁板进行冲击，并对其进行了目视检测和统计处理；2006年在Chicago举行的复合材料损伤容限与维护研讨会上，Waite已经初步阐明了颜色/表面光洁度对损伤目视检测的影响；CAA，安全条例部，航空维护和人力因素，2003鉴别出4种维护任务需要考虑的照明特征]，因为对同一结构的不同类型损伤可能要求不同的光线，为得到更好的检测结果，有些检测任务可能需要多种专门的照明条件。在复合材料结构目视检测的一般过程中，对飞机结构目视检测最主要的影响因素可以概括为复合材料壁板颜色、光洁度、环境照明（光线）、以及人员视力、专业资质和检测角等。1.1壁板颜色、光洁度目前，各个国家军用或民用飞机外观都具有不同的颜色和光洁度，2006年在Chicago举行的复合材料损伤容限和维护讨论会上Waite陈述了颜色/表面光洁度对损伤检测能力的影响。例如BritishAirway的光亮的深蓝色导致很多目视迹象，而旧的暗蓝色只有很少的目视迹象。另一方面，关于亮白色和暗白色表面的损伤检测能力也有类似的证据。此外还有一些使人惊奇的发现是，在绿表面比白色表面更容易发现损伤。众所周知较暗的表面比浅色表面反射的光少一些，对人的视觉刺激较弱，因此深色表面比亮表面更难对损伤目视检测。另外，深色表面由于冲击损伤引起的表面异常的对比度比亮色表面小得多，同样的道理适用于暗淡与光亮表面光洁度的比较，光亮表面光洁度比暗淡表面反射更多的光，对人的视觉刺激较强，因此表面光洁度光亮的表面比暗淡的表面目视可检性更好，只要在检测表面不会产生令人炫目的光。同时，由于每个人的视觉感觉特点不一样，表面颜色、表面光洁度和颜色/表面光洁度组合对参加目视检测人员的影响也是不完全一样的。有人偏好浅颜色和光亮表面，也有人觉得深色表面和暗淡表面更容易检测。颜色/表面光洁度组合是改善还是抑制损伤检测，对此每个人的感觉也是不一致。1.2环境照明光线环境的照明光线对复合材料损伤的目视检测具有重要的影响，光源的颜色影响结构外观颜色，光线的强弱和入射方向影响复合材料结构反射光线的强弱和方向，这些都会影响人的视觉对损伤的感知。颜色重现度是度量光源的颜色影响结构外观颜色的程度，即用不同人工光源对物体照明感受的颜色与用标准光源（即日光）照明时，对同一物体感受的颜色对比的程度。日光、白炽灯、荧光灯等光谱特征的差别对颜色重现有重大影响。当环境光线较强时，在视场内引起炫目的光，它会使细节的目视印象模糊不清，从而对损伤的可检性有不好的效果；当光线较弱时，异常表面与正常表面之间的感知反差较弱，检测人员也不易发现损伤的存在。通常多数维护任务要求光线强度在750lux和1000lux之间，一般的在线检测（即易于发现的凹坑）可能只要求500lux。基于IES标准，为进行维护/检测前后的操作和某些一般的维护/检测任务，维护机库的环境照明水平至少为750lux。光线的入射角度影响光源的有效性，可能产生增强的反射光，或减弱的反射光，或合适的反射光。对同一结构的不同类型损伤也有可能要求不同的入射光线，例如，飞机机身上的波纹最好用漫射光检测，而色差要求垂直入射的光。不太光滑表面的散射光对目视检测最为有利。1.3人员视力和专业经历人的视力能用它的辩色能力和视觉灵敏度来表征，这两项能力对目视检测也具有较严重的影响。人眼包含三种对彩色光谱具有不同灵敏度的眼锥细胞，人的大脑来解释细胞给出信号的组合，来构成彩色的印象，可以用所谓的“Ishihara彩色板”来测试辩色能力。视觉灵敏度是在随符号尺寸变化的标准化距离处，识别白背景上黑符号能力的定量度量方法，它是对视觉功能最常用的临床测量方法。视觉灵敏度可以表示为一个分数，如6/5，式中分子定义为被测试者与符号间的距离，使得被测试者刚刚能识别符号，分母是具有标准视力的人能够辨别符号的距离。视觉灵敏度也可以表示为一个小数值，具有正常视力的人，其为1.0，可用视力检查表来确定。检测人员是否具有从事复合材料或飞机维修的相关专业经验也是影响目视检测的重要因数，长期从事复合材料或飞机维修的专业人员对结构的损伤比较有丰富的经验和广泛的见识，会影响到对损伤的觉察敏感度。对熟练的检测人员，有可能检出即使很小的内部损伤和由钝冲击产生的平凹坑。2目视检测统计分析本次目视检测研究主要考虑了试板颜色、光洁度、照明（光线）、检测角、视力和专业资质等因素。采用冲击的方式引入损伤，冲击头直径选用16mm，冲击凹坑深度为0.10mm～1.50mm。试板几何尺寸为1000mm×600mm，共6块，白色、绿色和黑色各2块，每块试板上分别引入12～31个冲击损伤。检测角选择15°、45°和60°，检测环境有室内（日光灯）和室外（阴天）。记录了检测者的性别年龄和专业资质，每个目视检测人员检查1块试板花费的时间平均为约5分钟。检测结果如下：图1不同颜色试板的检出率(室内光线/45°检测角)图215°和45°两不同角度的检出率（绿板和黑板/室内光线）图3室内光线（日光灯）和室外光线（阴天）的检出率（绿板和黑板45°检测角）表1人员对检出率的影响人员检测白色试板绿色试板黑色试板人数检出人数检出人数检出水平条件（人次）率(%)（人次）率(%)（人次）率(%)水平1室内15°1044.21044.41050.0水平2检测角1755.81755.61750.0水平1室内45°1019.61026.71046.1水平2检测角1580.41573.31553.9水平1室外45°1431.51433.41446.7水平2检测角1068.51066.61054.3水平1室外60°1723.11727.91747.9水平2检测角676.9672.1652.1注：水平1：对复合材料和目视检测的专业没有任何经验；水平2：从事复合材料相关专业检测结果表明，在检测过程中检测人员感觉白色试板和绿色试板比黑色试板更容易检测，特别对于0.1mm~0.5mm的凹坑，对于较深的凹坑检出率没有太明显区别；不同的检测角对检出率的影响，对于0.1mm~0.5mm凹坑的检出率与试板颜色有较明显关系，绿色试板15°检测角比45°检测角的检出率高，黑色试板15°检测角比45°检测角的检出率低，对于较深的凹坑检出率没有明显区别；检测室内光线为6盏日光灯，室外为阴天，室内的光线较室外更好，可以看出照明光线对凹坑的检出率有比较明显的影响，更多的光线可以提供很好的反射光，有利于凹坑的检出；从事复合材料相关专业的人员发现的损伤比非从事相关专业的人员要多，特别是对于白色试板和绿色试板上小凹坑的检出率，以及较大检测角度的检出率都明显的高。3结论该项研究初步探索了复合材料结构的目视检测方法，以及更准确确定BVID值应考虑的目视检测影响因素为复合材料结构损伤BVID的确定提供了一定的支持。由于该研究中试板、环境条件、人员等局限性，以及对过程的控制不够细致，所以得到的结果数据不够全面和精细，而且复合材料结构BVID的确定需要大量的数据积累，这也将是以后下一步工作的重点。