飞机二次共固化蒙皮超声检测缺陷信号的识别方法

2020-04-23杨鹏飞樊俊玲

无损检测 2020年4期

何潇，杨鹏飞，樊俊玲

(中国飞机强度研究所，西安 710065)

由于具有轻质、高比模量、高比强度、耐腐蚀等优点，碳纤维复合材料得到了越来越多的应用。在实际应用中，复合材料整体成型技术[1]可以大幅度减少复杂大型结构的组装和紧固件的数量，提高生产效率，是实现复合材料轻质、高效、低成本的重要途径。二次共固化工艺是一种重要的整体成型技术，是指将一个或多个已经固化而另一个或多个未固化的复合材料零件，通过胶黏剂( 一般为胶膜) 在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法。

在飞机复合材料结构的制造过程中，蒙皮与筋条共固化整体成型技术被广泛采用，例如复合材料整体机翼、机翼盒段等。成型过程中，如果工艺控制不当，会产生分层、脱黏等缺陷，从而严重影响结构的成型质量和整体性能。

在外场检测或试验中，飞机结构检测工艺的制定必须等到试件到达，经过现场摸索后再制定，这对检测人员的要求较高，也降低了工作效率。随着无损检测应用的不断推广，以及新型材料和复杂结构的出现，飞机结构的检测难度不断加大，对检测工艺的要求也不断提高。

如何在实际检测之前制定正确、高效的检测工艺就成了工作的重中之重。以超声检测为例，检测工艺包括探头的选取和检测方法的确定；而从经济成本和时间成本上考虑，使用所有探头进行实际试验验证是不现实的。此时，需要使用模拟仿真软件进行检测仿真、确定工艺，最终进行实际验证。

笔者针对飞机二次共固化蒙皮结构部分位置的典型缺陷，结合CIVA软件理论仿真与实际检测数据的比对，得到不同类型、不同位置缺陷的典型特征，以便于检测人员更加准确地定性判断缺陷。

1 飞机二次共固化蒙皮结构和典型缺陷标准试块

1.1 飞机二次共固化蒙皮结构

飞机的二次共固化蒙皮结构示意如图1所示，其成型工艺为先进行筋条固化，再进行层压板蒙皮固化，然后筋条与蒙皮一起共固化，二次共固化时蒙皮与筋条间加J-299胶膜，填充区为单向带填充。

蒙皮+筋条材料为ZT7H/QY9611；胶膜材料为J-299胶膜。

图1 飞机二次共固化蒙皮结构示意

1.2 二次共固化蒙皮结构典型缺陷对比试块

为了得到二次共固化蒙皮结构的典型缺陷，制作了与检测对象同工艺的二次共固化蒙皮标准试块。标准试块中含有人工预制缺陷，缺陷形式为分层和脱黏，其结构示意如图2所示。

图2 含预制缺陷的二次共固化蒙皮标准试块结构示意

图2中AG为预制缺陷，材料为聚四氟乙烯膜，薄膜厚度为0.15 mm；H位置为完好区域(不含预制缺陷)。其中：AC位置模拟上蒙皮不同深度分层缺陷，D处模拟上蒙皮与立筋脱黏缺陷，E位置模拟上蒙皮与下蒙皮脱黏缺陷，F、G位置模拟下蒙皮不同深度的分层缺陷。

2 CIVA仿真分析以及与实测结果的对比

2.1 CIVA仿真建模

CIVA超声波仿真模块可以实现整个检测过程的仿真，可以选择常规探头与相控阵探头进行模拟仿真，也可以直接展示缺陷以及工件结构的回波[2]。在检测仿真制定的前期，依照图2中含缺陷的标准试块的结构在CIVA仿真模型中进行建模设置，依照二次共固化蒙皮结构的制造工艺，在CIVA模型中建立等效模型(见图3)，设置了上蒙皮、下蒙皮、二次共固化界面，并且在CIVA模型中预制缺陷ag,其位置与图2中标准试块的AG缺陷的位置一一对应。

图3 二次共固化蒙皮结构标准试块的CIVA模型

建立含有预制缺陷的模型后，在软件中选取5PL6的常规探头，进行扫查设置(见图4)，模拟中采用接触式脉冲反射法，声束垂直入射，探头沿着ag缺陷位置的方向进行扫查。

图4 CIVA中的扫查设置

2.2 预制缺陷的模拟结果与实际检测结果对比

在CIVA中模拟了将探头置于ag缺陷位置得到的模拟回波结果，并且通过A超与标准试块AG缺陷的实测结果进行了对比。图5所示为完好结构处的CIVA模拟波形与标准试块H位置处的实采波形对比。图5(a)中模拟了探头位置在完好结构H处的超声回波，其中左侧图为A超波形，右上图为B扫图，右下图为探头位置图，从A超波形可以看出，第一个波形是表面回波，第二个波形是二次共固化界面回波，第三个波形是下蒙皮底面回波，这个模拟结果波形与图5(b)中的标准试块的A超实采波形相近似。

当模拟探头在图3中的ac位置(这3处模拟二次共固化结构上蒙皮不同埋深的分层缺陷)时，探头的位置示意如图6(a),(b),(c)中右下角所示，得到的模拟结果如图6(a),(b),(c)左侧图所示，与标准试块中A位置的实采结果(见图7)相近似。