蜂窩結構X射線成像仿真研究

奚之飛

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

蜂窩夾層結構因具有抗壓、減震、隔音、保溫、阻燃、質輕和比強度高等優良性能而被廣泛地應用于航空、航天和飛機等高科技領域，根據蜂窩芯材的不同，蜂窩夾層結構區分為鋁蜂窩、布蜂窩、紙蜂窩、玻璃鋼蜂窩和陶瓷蜂窩等，如圖1所示。其由面板、蜂窩和膠粘劑3部分組成。蜂窩夾層結構在制造和服役過程中，易產生脫粘、積水、劃傷、裂紋、氣孔、芯短、面板或蜂窩芯損壞等缺陷，嚴重影響產品質量和使用安全，因此有效實現蜂窩夾層結構無損檢測顯得尤為必要。

圖1 蜂窩夾層結構示意圖

1 蜂窩夾層結構建模

本研究采用AutoCAD（三維輔助設計軟件）進行蜂窩夾層結構模型構建，在構建蜂窩芯結構時，采用滾壓成型膠接法，首先構建出單個蜂窩芯條模型，蜂窩芯條截面高度為5 mm、寬度為1 mm，三維鏡像操作，并對蜂窩芯條進行并集即可獲得單個芯條，如圖2所示。構建出蜂窩芯條后，對芯條進行集成，從而得到完整蜂窩芯結構，如圖3所示。為了便于觀察，將蜂窩塊的顯示顏色設置為綠色，對蜂窩芯結構進行蒙皮添加，蒙皮長、寬要求能覆蓋蜂窩芯塊，高度設置為1 mm。

圖2 構建芯條單元圖

圖3 蜂窩芯結構示圖

2 缺陷建模

此次建模主要針對常見4種缺陷進行，分別為蜂窩節點脫粘、蒙皮與蜂窩芯脫粘、蜂窩結構開裂及蜂窩結構變形。為研究不同大小和埋深的缺陷對仿真檢測結果的影響，在對缺陷進行制作時，使用不同大小長方體且設置不同埋深。蜂窩結構開裂是2倍壁厚處由于完全脫粘致使蜂窩結構開裂，構建此類缺陷，需將節點粘結處壁厚減小一定數值。對于蜂窩結構變形缺陷可將無缺陷邊去除，再增加彎曲邊界，實現變形缺陷構建。

2.1 蜂窩節點脫粘缺陷的制作

（1）蜂窩節點脫粘缺陷列表見表1。

（2）建立列表所示大小的長方體模型，如圖4所示。

圖4 長方體模型示圖

（3）將長方體移動到需要制作缺陷的位置，將長方體插入蜂窩節點結構一定的深度，使用AutoCAD中的差集命令將其去除，即在相應的位置去除一定大小材料，如圖5所示。

圖5 蜂窩節點脫粘缺陷模型示圖

2.2 蜂窩芯與蒙皮脫粘缺陷的制作

缺陷列表見表2。

表2 蜂窩芯與蒙皮脫粘缺陷列表

其制作步驟和方法與蜂窩節點脫粘缺陷制作相同，僅在第三步中去除材料的位置有所不同，其缺陷位置如圖6所示。

圖6 蜂窩夾層蒙皮與蜂窩芯脫粘缺陷模型示圖

2.3 蜂窩結構開裂制作

蜂窩結構的開裂主要是蜂窩節點之間的連接處完全的脫粘，致使部分蜂窩結構不完整，其開裂缺陷列表見表3。蜂窩結構由于受到內力或外力的作用其開裂的程度有所不同，此次建模構造了幾個不同的蜂窩開裂模型，如圖7所示。

圖7 蜂窩結構開裂缺陷模型

2.4 蜂窩結構變形的制作

蜂窩結構由于受到的力超出其承受的范圍，就將發生蜂窩結構的變形，其邊界發生扭曲。圖8為蜂窩結構變形的三維模型。

圖8 蜂窩結構變形缺陷模型

3 X-RaySim軟件仿真

在完成對蜂窩夾層結構建模、蜂窩夾層結構常見缺陷建模后，將已知模型導入透射場，首先進行Scene Controls設置，將模型調整到適當位置；再進行Materials設置，選擇模型材料為Iron（鐵）；最后對透照場射線的焦距、能量和膠片大小等進行設置，結果如圖9—12所示。

圖9 蜂窩結構節點脫粘

4 結束語

此次仿真實驗在蜂窩夾層結構模型中構建了蜂窩節點脫粘缺陷、蒙皮與蜂窩脫粘缺陷、蜂窩變形缺陷和蜂窩結構開裂4種缺陷。在X-RaySim仿真軟件中當射線垂直透照這4種缺陷時，其均都能夠被檢測出來。

從圖9可知，缺陷越大越容易被檢測到，而埋深對缺陷的檢出效果幾乎無影響。

從圖10可知，大小相同缺陷，其脫粘距離越大，在仿真圖像上顯示越明顯；脫粘距離相同缺陷，缺陷脫粘面積越大，在仿真圖像上顯示越明顯。

圖10 蜂窩芯結構與蒙皮脫粘

從圖11可知，對于蜂窩結構開裂，開裂程度越大，仿真圖像上顯示越明顯。

圖11 蜂窩結構開裂

從圖12中可知，對于蜂窩結構變形，無論變形大小均可清晰發現。

圖12 蜂窩結構變形