飛機二次共固化蒙皮超聲檢測缺陷信號的識別方法

何 瀟，楊鵬飛，樊俊玲

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

由于具有輕質、高比模量、高比強度、耐腐蝕等優點，碳纖維復合材料得到了越來越多的應用。在實際應用中，復合材料整體成型技術[1]可以大幅度減少復雜大型結構的組裝和緊固件的數量，提高生產效率，是實現復合材料輕質、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，是指將一個或多個已經固化而另一個或多個未固化的復合材料零件，通過膠黏劑( 一般為膠膜) 在一次固化中固化并膠接成一個整體制件的工藝方法。

在飛機復合材料結構的制造過程中，蒙皮與筋條共固化整體成型技術被廣泛采用，例如復合材料整體機翼、機翼盒段等。成型過程中，如果工藝控制不當，會產生分層、脫黏等缺陷，從而嚴重影響結構的成型質量和整體性能。

在外場檢測或試驗中，飛機結構檢測工藝的制定必須等到試件到達，經過現場摸索后再制定，這對檢測人員的要求較高，也降低了工作效率。隨著無損檢測應用的不斷推廣，以及新型材料和復雜結構的出現，飛機結構的檢測難度不斷加大，對檢測工藝的要求也不斷提高。

如何在實際檢測之前制定正確、高效的檢測工藝就成了工作的重中之重。以超聲檢測為例，檢測工藝包括探頭的選取和檢測方法的確定；而從經濟成本和時間成本上考慮，使用所有探頭進行實際試驗驗證是不現實的。此時，需要使用模擬仿真軟件進行檢測仿真、確定工藝，最終進行實際驗證。

筆者針對飛機二次共固化蒙皮結構部分位置的典型缺陷，結合CIVA軟件理論仿真與實際檢測數據的比對，得到不同類型、不同位置缺陷的典型特征，以便于檢測人員更加準確地定性判斷缺陷。

1 飛機二次共固化蒙皮結構和典型缺陷標準試塊

1.1 飛機二次共固化蒙皮結構

飛機的二次共固化蒙皮結構示意如圖1所示，其成型工藝為先進行筋條固化，再進行層壓板蒙皮固化，然后筋條與蒙皮一起共固化，二次共固化時蒙皮與筋條間加J-299膠膜，填充區為單向帶填充。

蒙皮+筋條材料為ZT7H/QY9611；膠膜材料為J-299膠膜。

圖1 飛機二次共固化蒙皮結構示意

1.2 二次共固化蒙皮結構典型缺陷對比試塊

為了得到二次共固化蒙皮結構的典型缺陷，制作了與檢測對象同工藝的二次共固化蒙皮標準試塊。標準試塊中含有人工預制缺陷，缺陷形式為分層和脫黏，其結構示意如圖2所示。

圖2 含預制缺陷的二次共固化蒙皮標準試塊結構示意

圖2中AG為預制缺陷，材料為聚四氟乙烯膜，薄膜厚度為0.15 mm；H位置為完好區域(不含預制缺陷)。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、G位置模擬下蒙皮不同深度的分層缺陷。

2 CIVA仿真分析以及與實測結果的對比

2.1 CIVA仿真建模

CIVA超聲波仿真模塊可以實現整個檢測過程的仿真，可以選擇常規探頭與相控陣探頭進行模擬仿真，也可以直接展示缺陷以及工件結構的回波[2]。在檢測仿真制定的前期，依照圖2中含缺陷的標準試塊的結構在CIVA仿真模型中進行建模設置，依照二次共固化蒙皮結構的制造工藝，在CIVA模型中建立等效模型(見圖3)，設置了上蒙皮、下蒙皮、二次共固化界面，并且在CIVA模型中預制缺陷ag,其位置與圖2中標準試塊的AG缺陷的位置一一對應。

圖3 二次共固化蒙皮結構標準試塊的CIVA模型

建立含有預制缺陷的模型后，在軟件中選取5PL6的常規探頭，進行掃查設置(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缺陷位置的方向進行掃查。

圖4 CIVA中的掃查設置

2.2 預制缺陷的模擬結果與實際檢測結果對比

在CIVA中模擬了將探頭置于ag缺陷位置得到的模擬回波結果，并且通過A超與標準試塊AG缺陷的實測結果進行了對比。圖5所示為完好結構處的CIVA模擬波形與標準試塊H位置處的實采波形對比。圖5(a)中模擬了探頭位置在完好結構H處的超聲回波，其中左側圖為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，第一個波形是表面回波，第二個波形是二次共固化界面回波，第三個波形是下蒙皮底面回波，這個模擬結果波形與圖5(b)中的標準試塊的A超實采波形相近似。

當模擬探頭在圖3中的ac位置(這3處模擬二次共固化結構上蒙皮不同埋深的分層缺陷)時，探頭的位置示意如圖6(a),(b),(c)中右下角所示，得到的模擬結果如圖6(a),(b),(c)左側圖所示，與標準試塊中A位置的實采結果(見圖7)相近似。

圖5 完好結構處的CIVA模擬波形與標準試塊H位置處的實采波形對比

當模擬探頭在圖3中d,e位置(這兩處模擬二次共固化結構上蒙皮與下蒙皮脫黏缺陷)時，探頭的位置示意如圖8(a)，(b)中右下圖所示，得到的模擬結果如圖8(a)，(b)左側圖所示，與標準試塊中D，E位置的實采波形(見圖9)相近似。

圖6 二次共固化結構上蒙皮ac位置的CIVA模擬結果

當模擬探頭在圖3中f,g位置(這兩處模擬二次共固化結構下蒙皮中分層缺陷)時，探頭的位置示意如圖10(a)，(b)中右下圖所示，得到的模擬結果如圖10(a)，(b)左側圖所示，與標準試塊中F，G位置的A超實采波形(見圖11)相近似。

2.3 CIVA模擬結果與飛機二次共固化蒙皮結構盒段對比

為了進一步驗證CIVA模擬結果的準確性，實測了飛機二次共固化蒙皮結構盒段在靜力試驗中出現的脫黏缺陷(見圖12)的A超信號(見圖13)，與CIVA模擬結果中的d位置，e位置的模擬結果(見圖8)進行對比，可見CIVA模擬結果與飛機二次共固化結構盒段中的缺陷A超實采信號相近似。

圖7 二次共固化結構上蒙皮AC位置缺陷的超聲信號實采波形

圖8 二次共固化結構de位置的CIVA模擬結果

圖9 二次共固化結構D位置和E位置缺陷的超聲信號實采波形

3 結論

針對飛機二次共固化蒙皮結構部分位置的典型缺陷，結合CIVA軟件理論仿真與實際檢測數據的比對，總結出不同類型不同位置缺陷的典型特征。通過CIVA仿真結果與標準試塊中的缺陷實采信號的對比，以及與飛機二次共固化蒙皮結構盒段中的脫黏缺陷A超實采信號的對比，得到仿真結果與實際測試結果相近的結論。

圖10 二次共固化結構f位置和g位置的CIVA模擬結果

圖11 二次共固化結構F位置和G位置缺陷的超聲信號實采波形

圖12 飛機二次共固化蒙皮結構盒段在靜力試驗中出現的脫黏缺陷

圖13 脫黏區域的A超實測信號(對應圖12)