疲勞試驗(yàn)中二次共固化結(jié)構(gòu)相控陣檢測(cè)

何瀟　王丹　寧寧

摘? 要：文章針對(duì)全機(jī)疲勞試驗(yàn)中二次共固化蒙皮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)二次共固化結(jié)構(gòu)蒙皮可能出現(xiàn)的損傷類型進(jìn)行了分析并制作了標(biāo)準(zhǔn)試樣，并通過(guò)相控陣對(duì)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)預(yù)制缺陷進(jìn)行超聲信號(hào)分析并在疲勞試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，形成了疲勞試驗(yàn)中二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)缺陷的超聲相控陣判別依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;二次共固化結(jié)構(gòu)蒙皮;超聲相控陣檢測(cè)

中圖分類號(hào)：V216.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0023-03

Abstract：? In this paper， according to the structural characteristics of the secondary co-cured skin in the whole machine fatigue test， the possible damage types of the secondary co-cured skin are analyzed and the standard samples are made. The ultrasonic signal of the prefabricated defects of the secondary co-cured skin structure is analyzed by the phased array and verified in the fatigue test， which forms the ultrasonic phased array discrimination basis of the secondary co-cured skin structure defects in the fatigue test.

Keywords： composite material; secondary co-cured skin structure; ultrasonic phased array detection

引言

碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高比模量、高比強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在軍機(jī)結(jié)構(gòu)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，復(fù)合材料整體成型技術(shù)可以大幅度減少?gòu)?fù)雜大型結(jié)構(gòu)的組裝和緊固件的數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料輕質(zhì)，高效，低成本的重要途徑。二次共固化工藝是整體成型技術(shù)中非常重要的一種，該技術(shù)是指把一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)固化而另一個(gè)或多個(gè)未固化復(fù)合材料零件通過(guò)膠黏劑（一般為膠膜） 在一次固化中固化并膠接成一個(gè)整體制件的工藝方法。在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中，蒙皮與筋條共膠接整體成型技術(shù)被廣泛采用，例如復(fù)合材料整體機(jī)翼、機(jī)翼盒段等。但如果成型過(guò)程工藝控制不當(dāng)，也會(huì)造成分層、脫粘等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)件的成型質(zhì)量和性能。

全機(jī)疲勞試驗(yàn)中的損傷檢測(cè)是獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷形成和損傷擴(kuò)展規(guī)律的重要手段，貫穿了試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，是試驗(yàn)質(zhì)量控制不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)，損傷檢測(cè)的目的是及時(shí)、可靠地發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷，復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)維修和下一階段試驗(yàn)方案的制定和調(diào)整提供依據(jù)：保證損傷受控，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生非預(yù)期的破壞。二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)型筋結(jié)構(gòu)在疲勞試驗(yàn)中也存在隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而產(chǎn)生分層，脫粘等損傷，這些損傷是否能及時(shí)有效的檢測(cè)出和如何進(jìn)行評(píng)判就成了問(wèn)題的出處。

本文中主要使用超聲相控陣方法作為二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)含有預(yù)制缺陷的二次共固化的標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測(cè)，得到二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)損傷波形特征，建立損傷的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)聲束單一，其僅依靠移動(dòng)探頭實(shí)現(xiàn)全覆蓋掃查。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)超聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種多聲束掃描成像技術(shù)，采用的超聲檢測(cè)探頭通常是由幾十到上百個(gè)晶片組成的換能器陣列，聲束覆蓋范圍很大，所以相較傳統(tǒng)探頭，相控陣探頭在不移動(dòng)或盡量少移動(dòng)的情況下就能全覆蓋單晶片探頭掃查區(qū)域，因此其檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的單通道超聲檢測(cè)設(shè)備。

本文中使用的超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備是英國(guó)SONATEST集團(tuán)開發(fā)的 RapidScan2型快速超聲C掃描系統(tǒng)，用5MHz、128晶片的輪式相控陣探頭，軟件界面可同時(shí)輸出 A，B，C顯示。該檢測(cè)系統(tǒng)采用輪式相控陣探頭，該探頭線性陣元一次掃查范圍大，適合大面積航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的原位快速檢測(cè)，并且具有高精度、高清晰圖像分辨率及大頻寬等特性，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的分層、脫粘及沖擊損傷等缺陷。

2 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)

2.1 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)

全機(jī)疲勞試驗(yàn)中試件的二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)如圖2所示，成型工藝為先分別固化筋條層層壓板蒙皮，然后筋條與蒙皮一起共固化，二次共固化時(shí)蒙皮與筋條間加J-299膠膜，填充區(qū)為單向帶填充。

蒙皮+筋條材料：ZT7H/QY9611 膠膜材料：J-299膠膜

蒙皮鋪層形式如下：

[45/0/-45/90/45/0/-45/0/45/90/-45/0/45/0/-45/90/-45/0/45/-45/45/90/45/0/45/0/-45/90/45/0/45/0/-45/90/45/0/45/0/45/-45/90/-45/90/-45/0/45/0]s

2.2 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)超聲信號(hào)分析

2.2.1 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)試樣

無(wú)損檢測(cè)是基于信號(hào)比對(duì)的一種測(cè)試方法，對(duì)比試塊是無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中確定檢測(cè)基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，它對(duì)檢測(cè)參數(shù)的確定、檢測(cè)靈敏度的調(diào)整、檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判等都起著至關(guān)重要的作用。

以與疲勞試驗(yàn)中同材料同工藝二次共固化蒙皮標(biāo)準(zhǔn)試樣為檢測(cè)對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)試樣中含有人工預(yù)制缺陷，缺陷形式為分層和脫粘，標(biāo)準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)如圖4所示，其中A-G為預(yù)制缺陷，材料為聚四氟乙烯膜，薄膜厚度為0.15mm，H位置為完好區(qū)域，其中A-C位置模擬上蒙皮不同深度分層缺陷，D處模擬上蒙皮與立筋脫粘缺陷，E位置模擬上蒙皮與下蒙皮脫粘缺陷，F(xiàn)、G位置模擬下蒙皮不同深度的分層缺陷，H位置為完好結(jié)構(gòu)。

2.2.2 超聲檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣使用相控陣進(jìn)行檢測(cè)，二次共固化工藝下當(dāng)超聲探頭在A位置-H位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的超聲回波信號(hào)，這就形成了二次共固化的超聲相控陣波形圖譜，A位置-H位置的超聲相控陣波形如下，首先H位置為完好結(jié)構(gòu)的超聲回波圖5所示。

A位置-C位置預(yù)制缺陷分別模擬了二次共固化上蒙皮的不同深度的分層缺陷，其中A位置預(yù)制的分層缺陷位于二次共固化上蒙皮的近表面層，超聲信號(hào)在A缺陷處發(fā)生了反射，并未穿透A位置缺陷，回波信號(hào)特征如圖6（a）所示，B位置預(yù)制的分層缺陷位于二次共固化上蒙皮的中間層，超聲信號(hào)在B位置缺陷發(fā)生了反射，并未穿透B位置缺陷，回波信號(hào)特征如圖6（b）所示，C位置預(yù)制的分層缺陷位于二次共固化上蒙皮的下部層，超聲信號(hào)在C位置缺陷發(fā)生了反射，并未穿透C位置缺陷，回波信號(hào)特征如圖6（c）。

D位置預(yù)制缺陷模擬了二次共固化上蒙皮和立筋的脫粘缺陷缺陷，E位置預(yù)制缺陷模擬了二次共固化上蒙皮和下蒙皮的脫粘缺陷，超聲信號(hào)分別在D位置和E位置的缺陷處發(fā)生了反射，并未穿透D位置和E位置的缺陷，D位置缺陷回波信號(hào)如圖7（a）所示，E位置缺陷回波信號(hào)如圖7（b）所示。

F位置和G位置預(yù)制缺陷分別模擬了二次共固化下蒙皮中不同深度的分層缺陷，其中F位置預(yù)制的分層缺陷位于二次共固化下蒙皮接近蒙皮底面，G位置預(yù)制分層缺陷位于二次共固化下蒙皮的上部，接近二次共固化界面，超聲信號(hào)傳播過(guò)程中會(huì)在二次共固化界面發(fā)生穿透和反射，超聲信號(hào)進(jìn)入下蒙皮后會(huì)在F位置缺陷和G位置缺陷處發(fā)生發(fā)射，F(xiàn)位置缺陷形成的超聲信號(hào)如圖8（a）所示，G位置缺陷形成的超聲信號(hào)如圖8（b）所示。

3 超聲相控陣檢測(cè)驗(yàn)證

以含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試樣作為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)超聲相控陣的檢測(cè)參數(shù)，對(duì)疲勞試驗(yàn)中的二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)上的已知位置沖擊損傷進(jìn)行了C掃描檢測(cè)，對(duì)二次共固化蒙皮完好區(qū)域進(jìn)行了A超檢測(cè)驗(yàn)證，超聲相控陣C掃描部位照片如圖9所示，采用標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)節(jié)的超聲相控陣C掃描設(shè)備，將沖擊損傷-1，沖擊損傷-2均有效檢測(cè)出。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的超聲信號(hào)分析結(jié)果，采用A超對(duì)疲勞試驗(yàn)中的二次共固化完好結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)采，采樣A超波形如圖10中所示，圖中的完好結(jié)構(gòu)的A超波形與圖5中H位置的超聲信號(hào)分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

（1）本文中介紹了疲勞試驗(yàn)中二次共固化蒙皮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制作了含有缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試樣，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣中不同位置預(yù)制缺陷超聲信號(hào)分析，得到了不同缺陷超聲信號(hào)回波圖譜。（2）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試樣調(diào)節(jié)超聲相控陣設(shè)備參數(shù)，對(duì)疲勞試驗(yàn)中的二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的沖擊損傷進(jìn)行了檢測(cè)，有效的檢測(cè)出了沖擊損傷。（3）通過(guò)A超對(duì)疲勞試驗(yàn)中的二次共固化結(jié)構(gòu)完好區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采樣，得到的A超聲實(shí)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試樣中完好區(qū)域的超聲信號(hào)分析結(jié)果相一致，進(jìn)一步說(shuō)明二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)缺陷超聲回波信號(hào)圖譜，可以對(duì)疲勞試驗(yàn)中的二次共固化結(jié)構(gòu)缺陷定性提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王毅，馮憲章，李磊，等.復(fù)合材料層合板二次共固化補(bǔ)強(qiáng)膠層失效分析研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2012，34（06）：862-867.