何 瀟，楊鵬飛，樊俊玲

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

由于具有輕質(zhì)、高比模量、高比強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料得到了越來越多的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料整體成型技術(shù)[1]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。二次共固化工藝是一種重要的整體成型技術(shù)，是指將一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)固化而另一個(gè)或多個(gè)未固化的復(fù)合材料零件，通過膠黏劑( 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。

在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過程中，蒙皮與筋條共固化整體成型技術(shù)被廣泛采用，例如復(fù)合材料整體機(jī)翼、機(jī)翼盒段等。成型過程中，如果工藝控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生分層、脫黏等缺陷，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量和整體性能。

在外場(chǎng)檢測(cè)或試驗(yàn)中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)工藝的制定必須等到試件到達(dá)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)摸索后再制定，這對(duì)檢測(cè)人員的要求較高，也降低了工作效率。隨著無損檢測(cè)應(yīng)用的不斷推廣，以及新型材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)難度不斷加大，對(duì)檢測(cè)工藝的要求也不斷提高。

如何在實(shí)際檢測(cè)之前制定正確、高效的檢測(cè)工藝就成了工作的重中之重。以超聲檢測(cè)為例，檢測(cè)工藝包括探頭的選取和檢測(cè)方法的確定；而從經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本上考慮，使用所有探頭進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證是不現(xiàn)實(shí)的。此時(shí)，需要使用模擬仿真軟件進(jìn)行檢測(cè)仿真、確定工藝，最終進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

筆者針對(duì)飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)部分位置的典型缺陷，結(jié)合CIVA軟件理論仿真與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，得到不同類型、不同位置缺陷的典型特征，以便于檢測(cè)人員更加準(zhǔn)確地定性判斷缺陷。

1 飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)和典型缺陷標(biāo)準(zhǔn)試塊

1.1 飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)

飛機(jī)的二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其成型工藝為先進(jìn)行筋條固化，再進(jìn)行層壓板蒙皮固化，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+筋條材料為ZT7H/QY9611；膠膜材料為J-299膠膜。

圖1 飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)示意

1.2 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)典型缺陷對(duì)比試塊

為了得到二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的典型缺陷，制作了與檢測(cè)對(duì)象同工藝的二次共固化蒙皮標(biāo)準(zhǔn)試塊。標(biāo)準(zhǔn)試塊中含有人工預(yù)制缺陷，缺陷形式為分層和脫黏，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 含預(yù)制缺陷的二次共固化蒙皮標(biāo)準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)示意

圖2中AG為預(yù)制缺陷，材料為聚四氟乙烯膜，薄膜厚度為0.15 mm；H位置為完好區(qū)域(不含預(yù)制缺陷)。其中：AC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黏缺陷，E位置模擬上蒙皮與下蒙皮脫黏缺陷，F(xiàn)、G位置模擬下蒙皮不同深度的分層缺陷。

2 CIVA仿真分析以及與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

2.1 CIVA仿真建模

CIVA超聲波仿真模塊可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)過程的仿真，可以選擇常規(guī)探頭與相控陣探頭進(jìn)行模擬仿真，也可以直接展示缺陷以及工件結(jié)構(gòu)的回波[2]。在檢測(cè)仿真制定的前期，依照?qǐng)D2中含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試塊的結(jié)構(gòu)在CIVA仿真模型中進(jìn)行建模設(shè)置，依照二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)的制造工藝，在CIVA模型中建立等效模型(見圖3)，設(shè)置了上蒙皮、下蒙皮、二次共固化界面，并且在CIVA模型中預(yù)制缺陷ag,其位置與圖2中標(biāo)準(zhǔn)試塊的AG缺陷的位置一一對(duì)應(yīng)。

圖3 二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)試塊的CIVA模型

建立含有預(yù)制缺陷的模型后，在軟件中選取5PL6的常規(guī)探頭，進(jìn)行掃查設(shè)置(見圖4)，模擬中采用接觸式脈沖反射法，聲束垂直入射，探頭沿著ag缺陷位置的方向進(jìn)行掃查。

圖4 CIVA中的掃查設(shè)置

2.2 預(yù)制缺陷的模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

在CIVA中模擬了將探頭置于ag缺陷位置得到的模擬回波結(jié)果，并且通過A超與標(biāo)準(zhǔn)試塊AG缺陷的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖5所示為完好結(jié)構(gòu)處的CIVA模擬波形與標(biāo)準(zhǔn)試塊H位置處的實(shí)采波形對(duì)比。圖5(a)中模擬了探頭位置在完好結(jié)構(gòu)H處的超聲回波，其中左側(cè)圖為A超波形，右上圖為B掃圖，右下圖為探頭位置圖，從A超波形可以看出，第一個(gè)波形是表面回波，第二個(gè)波形是二次共固化界面回波，第三個(gè)波形是下蒙皮底面回波，這個(gè)模擬結(jié)果波形與圖5(b)中的標(biāo)準(zhǔn)試塊的A超實(shí)采波形相近似。

當(dāng)模擬探頭在圖3中的ac位置(這3處模擬二次共固化結(jié)構(gòu)上蒙皮不同埋深的分層缺陷)時(shí)，探頭的位置示意如圖6(a),(b),(c)中右下角所示，得到的模擬結(jié)果如圖6(a),(b),(c)左側(cè)圖所示，與標(biāo)準(zhǔn)試塊中A位置的實(shí)采結(jié)果(見圖7)相近似。

圖5 完好結(jié)構(gòu)處的CIVA模擬波形與標(biāo)準(zhǔn)試塊H位置處的實(shí)采波形對(duì)比

當(dāng)模擬探頭在圖3中d,e位置(這兩處模擬二次共固化結(jié)構(gòu)上蒙皮與下蒙皮脫黏缺陷)時(shí)，探頭的位置示意如圖8(a)，(b)中右下圖所示，得到的模擬結(jié)果如圖8(a)，(b)左側(cè)圖所示，與標(biāo)準(zhǔn)試塊中D，E位置的實(shí)采波形(見圖9)相近似。

圖6 二次共固化結(jié)構(gòu)上蒙皮ac位置的CIVA模擬結(jié)果

當(dāng)模擬探頭在圖3中f,g位置(這兩處模擬二次共固化結(jié)構(gòu)下蒙皮中分層缺陷)時(shí)，探頭的位置示意如圖10(a)，(b)中右下圖所示，得到的模擬結(jié)果如圖10(a)，(b)左側(cè)圖所示，與標(biāo)準(zhǔn)試塊中F，G位置的A超實(shí)采波形(見圖11)相近似。

2.3 CIVA模擬結(jié)果與飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)盒段對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證CIVA模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)了飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)盒段在靜力試驗(yàn)中出現(xiàn)的脫黏缺陷(見圖12)的A超信號(hào)(見圖13)，與CIVA模擬結(jié)果中的d位置，e位置的模擬結(jié)果(見圖8)進(jìn)行對(duì)比，可見CIVA模擬結(jié)果與飛機(jī)二次共固化結(jié)構(gòu)盒段中的缺陷A超實(shí)采信號(hào)相近似。

圖7 二次共固化結(jié)構(gòu)上蒙皮AC位置缺陷的超聲信號(hào)實(shí)采波形

圖8 二次共固化結(jié)構(gòu)de位置的CIVA模擬結(jié)果

圖9 二次共固化結(jié)構(gòu)D位置和E位置缺陷的超聲信號(hào)實(shí)采波形

3 結(jié)論

針對(duì)飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)部分位置的典型缺陷，結(jié)合CIVA軟件理論仿真與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，總結(jié)出不同類型不同位置缺陷的典型特征。通過CIVA仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試塊中的缺陷實(shí)采信號(hào)的對(duì)比，以及與飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)盒段中的脫黏缺陷A超實(shí)采信號(hào)的對(duì)比，得到仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相近的結(jié)論。

圖10 二次共固化結(jié)構(gòu)f位置和g位置的CIVA模擬結(jié)果

圖11 二次共固化結(jié)構(gòu)F位置和G位置缺陷的超聲信號(hào)實(shí)采波形

圖12 飛機(jī)二次共固化蒙皮結(jié)構(gòu)盒段在靜力試驗(yàn)中出現(xiàn)的脫黏缺陷

圖13 脫黏區(qū)域的A超實(shí)測(cè)信號(hào)(對(duì)應(yīng)圖12)