蜂窝结构X射线成像仿真研究

奚之飞

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000）

蜂窝夹层结构因具有抗压、减震、隔音、保温、阻燃、质轻和比强度高等优良性能而被广泛地应用于航空、航天和飞机等高科技领域，根据蜂窝芯材的不同，蜂窝夹层结构区分为铝蜂窝、布蜂窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝和陶瓷蜂窝等，如图1所示。其由面板、蜂窝和胶粘剂3部分组成。蜂窝夹层结构在制造和服役过程中，易产生脱粘、积水、划伤、裂纹、气孔、芯短、面板或蜂窝芯损坏等缺陷，严重影响产品质量和使用安全，因此有效实现蜂窝夹层结构无损检测显得尤为必要。

图1 蜂窝夹层结构示意图

1 蜂窝夹层结构建模

本研究采用AutoCAD（三维辅助设计软件）进行蜂窝夹层结构模型构建，在构建蜂窝芯结构时，采用滚压成型胶接法，首先构建出单个蜂窝芯条模型，蜂窝芯条截面高度为5 mm、宽度为1 mm，三维镜像操作，并对蜂窝芯条进行并集即可获得单个芯条，如图2所示。构建出蜂窝芯条后，对芯条进行集成，从而得到完整蜂窝芯结构，如图3所示。为了便于观察，将蜂窝块的显示颜色设置为绿色，对蜂窝芯结构进行蒙皮添加，蒙皮长、宽要求能覆盖蜂窝芯块，高度设置为1 mm。

图2 构建芯条单元图

图3 蜂窝芯结构示图

2 缺陷建模

此次建模主要针对常见4种缺陷进行，分别为蜂窝节点脱粘、蒙皮与蜂窝芯脱粘、蜂窝结构开裂及蜂窝结构变形。为研究不同大小和埋深的缺陷对仿真检测结果的影响，在对缺陷进行制作时，使用不同大小长方体且设置不同埋深。蜂窝结构开裂是2倍壁厚处由于完全脱粘致使蜂窝结构开裂，构建此类缺陷，需将节点粘结处壁厚减小一定数值。对于蜂窝结构变形缺陷可将无缺陷边去除，再增加弯曲边界，实现变形缺陷构建。

2.1 蜂窝节点脱粘缺陷的制作

（1）蜂窝节点脱粘缺陷列表见表1。

（2）建立列表所示大小的长方体模型，如图4所示。

图4 长方体模型示图

（3）将长方体移动到需要制作缺陷的位置，将长方体插入蜂窝节点结构一定的深度，使用AutoCAD中的差集命令将其去除，即在相应的位置去除一定大小材料，如图5所示。

图5 蜂窝节点脱粘缺陷模型示图

2.2 蜂窝芯与蒙皮脱粘缺陷的制作

缺陷列表见表2。

表2 蜂窝芯与蒙皮脱粘缺陷列表

其制作步骤和方法与蜂窝节点脱粘缺陷制作相同，仅在第三步中去除材料的位置有所不同，其缺陷位置如图6所示。

图6 蜂窝夹层蒙皮与蜂窝芯脱粘缺陷模型示图

2.3 蜂窝结构开裂制作

蜂窝结构的开裂主要是蜂窝节点之间的连接处完全的脱粘，致使部分蜂窝结构不完整，其开裂缺陷列表见表3。蜂窝结构由于受到内力或外力的作用其开裂的程度有所不同，此次建模构造了几个不同的蜂窝开裂模型，如图7所示。

图7 蜂窝结构开裂缺陷模型

2.4 蜂窝结构变形的制作

蜂窝结构由于受到的力超出其承受的范围，就将发生蜂窝结构的变形，其边界发生扭曲。图8为蜂窝结构变形的三维模型。

图8 蜂窝结构变形缺陷模型

3 X-RaySim软件仿真

在完成对蜂窝夹层结构建模、蜂窝夹层结构常见缺陷建模后，将已知模型导入透射场，首先进行Scene Controls设置，将模型调整到适当位置；再进行Materials设置，选择模型材料为Iron（铁）；最后对透照场射线的焦距、能量和胶片大小等进行设置，结果如图9—12所示。

图9 蜂窝结构节点脱粘

4 结束语

此次仿真实验在蜂窝夹层结构模型中构建了蜂窝节点脱粘缺陷、蒙皮与蜂窝脱粘缺陷、蜂窝变形缺陷和蜂窝结构开裂4种缺陷。在X-RaySim仿真软件中当射线垂直透照这4种缺陷时，其均都能够被检测出来。

从图9可知，缺陷越大越容易被检测到，而埋深对缺陷的检出效果几乎无影响。

从图10可知，大小相同缺陷，其脱粘距离越大，在仿真图像上显示越明显；脱粘距离相同缺陷，缺陷脱粘面积越大，在仿真图像上显示越明显。

图10 蜂窝芯结构与蒙皮脱粘

从图11可知，对于蜂窝结构开裂，开裂程度越大，仿真图像上显示越明显。

图11 蜂窝结构开裂

从图12中可知，对于蜂窝结构变形，无论变形大小均可清晰发现。

图12 蜂窝结构变形