曹旋 寧寧

摘? 要：民航無損檢測(cè)技術(shù)是航空器持續(xù)適航的重要保障，對(duì)比試塊缺陷研究是無損檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分。為了研究復(fù)合材料中出現(xiàn)的缺陷類型，基于FiberSIM軟件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，結(jié)合CATIA軟件，對(duì)復(fù)合材料對(duì)比試塊的缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，從而為后續(xù)的對(duì)比試塊的制造和檢測(cè)研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè);對(duì)比試塊;缺陷;復(fù)合材料;FiberSIM

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0016-02

Abstract： Civil aviation nondestructive testing technology is an important guarantee for the continuous airworthiness of aircraft， and the study of comparative test block defects is an important part of nondestructive testing technology. In order to study the types of defects in composite materials， the defects of composite materials are designed and simulated based on the integrated digital design and manufacturing technology of FiberSIM software and CATIA software， thus providing a basis for the subsequent comparative test block manufacturing and testing research.

Keywords： nondestructive testing; contrast test block; defect; composite material; FiberSIM

引言

復(fù)合材料具有強(qiáng)度高質(zhì)量輕以及抗疲勞的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在民用航空飛行器上。未來復(fù)合材料在航空器上的運(yùn)用也將保持高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于飛行器上復(fù)合材料隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)不同類型和不同程度的損傷，為了在其危害飛行器安全之前發(fā)現(xiàn)，我們就要研究檢測(cè)這些缺陷的方法和檢測(cè)間隔。因此研究復(fù)合材料的損傷缺陷尤其重要。要研究復(fù)合材料的損傷缺陷，我們就要設(shè)計(jì)出飛機(jī)上真實(shí)的缺陷，為后續(xù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

FiberSIM具有獨(dú)特的復(fù)合材料仿真技術(shù)，能夠預(yù)測(cè)復(fù)合材料層與層之間貼合情況，對(duì)于復(fù)合材料對(duì)比試塊的研制具有重要意義。利用FiberSIM軟件設(shè)計(jì)出與被檢測(cè)結(jié)構(gòu)一致的層數(shù)和鋪層角度，并且對(duì)需要研究的缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到理論上需要的對(duì)比試塊，不僅可以設(shè)計(jì)復(fù)合材料的缺陷參數(shù)，而且可以指導(dǎo)對(duì)比試塊的生產(chǎn)制造。本文利用CATIA與FiberSIM軟件集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)一體技術(shù)，從對(duì)比試塊的外形設(shè)計(jì)、選材、工藝裝配以及缺陷設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，為復(fù)合材料無損檢測(cè)對(duì)比試塊設(shè)計(jì)提供思路。

1 復(fù)合材料對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)缺陷

航空復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)由層合板中間通過膠粘劑粘接一層蜂窩芯組成，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、高剛度、重量輕以及抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域被廣泛使用。這種結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊會(huì)造成不同類型的損傷。其中缺陷可以分為以下幾類：

（1）復(fù)合材料的層合板之間的分層;

（2）層合板與蜂窩夾芯之間的脫粘;

（3）蜂窩夾芯的破裂或坍塌;

（4）蜂窩夾芯內(nèi)積水。

本文研究的是復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的層合板之間分層缺陷和層合板與夾芯之間的脫粘缺陷，利用FiberSIM軟件精確的設(shè)計(jì)對(duì)比試塊中這兩類缺陷形狀和大小，可以快速可視化缺陷的形狀和位置，從而為后續(xù)的制造和研究提供準(zhǔn)備。在工程實(shí)際中，脫粘和分層區(qū)域的形狀一般是橢圓形，所以將缺陷設(shè)計(jì)為橢圓形。為了盡量避免兩種缺陷之間的相互影響和減少邊界效應(yīng)，將缺陷設(shè)計(jì)在試塊上的不同區(qū)域：a. 將脫粘缺陷設(shè)計(jì)在蜂窩夾芯與層合板之間，脫粘區(qū)域位于蜂窩區(qū)域的中間處;b. 將分層缺陷設(shè)計(jì)在不含蜂窩區(qū)域處，分層區(qū)域設(shè)計(jì)在鋪層與鋪層之間。

2 CATIA建立對(duì)比試塊三維建模

首先利用CATIA軟件設(shè)計(jì)出需要被檢測(cè)的零件一致的幾何圖形，為FiberSIM鋪層設(shè)計(jì)（鋪層面的提取、蜂窩夾芯邊界、鋪層邊界、制造邊界、坐標(biāo)點(diǎn)制作）做好準(zhǔn)備工作。

將試塊設(shè)計(jì)成兩塊（每塊厚度為1.524mm）矩形的層合板中間夾著一層厚度為10mm的蜂窩夾芯，其中每塊的層合板是由8層鋪層組成。FiberSIM鋪層設(shè)計(jì)需要提前設(shè)計(jì)試塊的三維幾何圖形，并提取所需要的幾何元素為鋪層設(shè)計(jì)和缺陷設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

3 層合板鋪層幾何準(zhǔn)備

把設(shè)計(jì)好的試塊的三維圖導(dǎo)入CATIA中，切換到創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，然后在試塊的三維幾何圖形的底部提取曲面，并且鋪層方向往上，并且對(duì)該提取面抽取完整的邊界，這就是層合板模面的設(shè)計(jì)邊界，并命名為凈邊界。點(diǎn)擊外插延伸功能（? ? ），然后對(duì)曲面按需要往外延長(zhǎng)，再用點(diǎn)擊拼接功能（? ?），將曲面延伸后的曲面拼接，得到了層合板的鋪層面，再次提取鋪層面的邊界，就得到了層合板鋪層的制造邊界，點(diǎn)擊拼接功能，拼接制造邊界并命名為擴(kuò)展邊界。

然后在鋪層面上中間的位置任意選取一個(gè)點(diǎn)，定義為鋪層面的參考方向原點(diǎn)，然后以參考方向原點(diǎn)為起始點(diǎn)以X軸方向繪制一條5mm的直線，并命名為參考方向線，這就繪制好了原點(diǎn)坐標(biāo)。

過渡輪廓的創(chuàng)建

蜂窩處的過度區(qū)域

在蜂窩的四個(gè)周面的每一個(gè)面上創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)分別為a，b，c，d，然后再創(chuàng)建經(jīng)過a點(diǎn)且平行于a點(diǎn)所在平面的平面A，以此類推，分別創(chuàng)建經(jīng)過b，c，d的三個(gè)面的平面B，C，D。然后利用相交功能（? ? ）得到四個(gè)面與層合板底面鋪層面的交線，剪切多余的線條，就得到了蜂窩的邊界，然后點(diǎn)擊拼接功能（? ? ），拼接該交線后命名為蜂窩邊界。

4 FiberSIM軟件缺陷設(shè)計(jì)

在CATIA軟件中做好了幾何準(zhǔn)備之后，然后利用FiberSIM軟件定義復(fù)合材料的鋪設(shè)邊界、鋪層數(shù)量、鋪設(shè)方向、坐標(biāo)系位置、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)類型、缺陷位置、缺陷形狀和大小等。

4.1 創(chuàng)建層合板

在創(chuàng)建缺陷之前首先設(shè)計(jì)試塊的鋪層設(shè)計(jì)，進(jìn)入FiberSIM界面，創(chuàng)建層合板，點(diǎn)擊功能樹中的層合板，創(chuàng)建層合板標(biāo)簽，在標(biāo)簽中定義層合板的鋪設(shè)面、凈邊界、擴(kuò)展邊界，在CATIA中選擇對(duì)應(yīng)的元素，材料選擇DRY-PL-3K，命名為對(duì)比試塊。

4.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系

鋪貼面和鋪層邊界確定后，接下來要?jiǎng)?chuàng)建坐標(biāo)系。點(diǎn)擊左側(cè)功能樹上的坐標(biāo)系，點(diǎn)擊新建按鈕，定義參考方向原點(diǎn)、參考方向線、鋪設(shè)曲面、起始角、方向角以及確定右手鋪設(shè)方向等元素，并且在CATIA中選擇所需要的幾何元素。

4.3 鋪層設(shè)計(jì)

在試塊的鋪層設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該是按照被檢測(cè)件的鋪層參數(shù)鋪設(shè)，為了保密性要求，自行設(shè)計(jì)了一個(gè)試塊的鋪設(shè)參數(shù)，分別選取了鋪層曲面、鋪層邊界、鋪層角度、鋪層順序，鋪層層數(shù)以及鋪層材料。其中設(shè)計(jì)的鋪層層數(shù)是16層，每層厚度是0.1905mm。1-8層與9-16層是在中性面對(duì)稱。第一層的step設(shè)置為10，每增加一層step增加10。所以第八層的step為80。

4.4 設(shè)計(jì)蜂窩夾芯

點(diǎn)擊左側(cè)功能樹上的夾芯，再點(diǎn)擊新建按鈕，創(chuàng)建虛擬臺(tái)階夾芯，名稱為sandwich，在CATIA中選取蜂窩邊界和原點(diǎn)，蜂窩厚度為10mm，頂部切削角為30度，材料為honeycomb，鋪貼step設(shè)置85，使得蜂窩夾芯鋪設(shè)在第九層中心位置，使得蜂窩的上下層合板鋪層數(shù)量一樣。

5 鋪層的三維顯示及注釋顯示

鋪層設(shè)計(jì)過程中可以顯示鋪層的三維截面視圖，從而驗(yàn)證鋪層設(shè)計(jì)是否正確。首先在CATIA軟件中創(chuàng)建一個(gè)橫截面線，使得橫截面線通過蜂窩夾芯、脫粘缺陷、分層缺陷，然后通過FiberSIM軟件中的3D文檔模塊下的3D截面，輸出結(jié)果如圖1所示。如果需要在CATIA軟件中生成試塊的鋪層情況，使用在3D文檔模塊下的鋪層表功能，顯示結(jié)果如圖1所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型飛機(jī)的零部件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其對(duì)比試塊的理論鋪設(shè)方案，對(duì)復(fù)合材料的缺陷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，在試塊上設(shè)計(jì)了兩種類型的缺陷，精確的設(shè)計(jì)缺陷的位置、形狀和大小，為后面的含有缺陷試塊的制造提供了依據(jù)，也為后續(xù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。掌握了這兩種缺陷的設(shè)計(jì)，再進(jìn)行復(fù)合材料夾雜缺陷設(shè)計(jì)也可以采用類似的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2]張玉華，等.FIBERSIM軟件在工字梁鋪層設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].教練機(jī)，2015（02）：57-61.

[3]航空器無損檢測(cè)綜合知識(shí)[M].中國(guó)民航出版社，2014.

[4]修英姝，崔德剛.復(fù)合材料層合板穩(wěn)定性的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程力學(xué)，2005，22：212-216.