疲勞試驗中二次共固化結構相控陣檢測

何瀟　王丹　寧寧

摘? 要：文章針對全機疲勞試驗中二次共固化蒙皮的結構特點，對二次共固化結構蒙皮可能出現的損傷類型進行了分析并制作了標準試樣，并通過相控陣對二次共固化蒙皮結構預制缺陷進行超聲信號分析并在疲勞試驗中進行了驗證，形成了疲勞試驗中二次共固化蒙皮結構缺陷的超聲相控陣判別依據。

關鍵詞：復合材料;二次共固化結構蒙皮;超聲相控陣檢測

中圖分類號：V216.3? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

碳纖維復合材料由于其輕質、高比模量、高比強度、耐腐蝕等優點，在軍機結構中得到了越來越多的應用，復合材料整體成型技術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。二次共固化工藝是整體成型技術中非常重要的一種，該技術是指把一個或多個已經固化而另一個或多個未固化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。在航空復合材料結構制造中，蒙皮與筋條共膠接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。但如果成型過程工藝控制不當，也會造成分層、脫粘等缺陷，會嚴重影響試驗件的成型質量和性能。

全機疲勞試驗中的損傷檢測是獲得飛機結構損傷形成和損傷擴展規律的重要手段，貫穿了試驗的整個過程，是試驗質量控制不可或缺的基礎技術，損傷檢測的目的是及時、可靠地發現飛機結構出現的損傷，復合材料為結構維修和下一階段試驗方案的制定和調整提供依據：保證損傷受控，避免結構發生非預期的破壞。二次共固化蒙皮結構型筋結構在疲勞試驗中也存在隨著試驗的進行而產生分層，脫粘等損傷，這些損傷是否能及時有效的檢測出和如何進行評判就成了問題的出處。

本文中主要使用超聲相控陣方法作為二次共固化蒙皮結構的檢測方法，通過對含有預制缺陷的二次共固化的標準試塊的檢測，得到二次共固化蒙皮結構損傷波形特征，建立損傷的判斷標準。

1 超聲相控陣檢測技術

傳統的超聲檢測技術聲束單一，其僅依靠移動探頭實現全覆蓋掃查。超聲相控陣檢測技術是在傳統超聲技術基礎上發展起來的一種多聲束掃描成像技術，采用的超聲檢測探頭通常是由幾十到上百個晶片組成的換能器陣列，聲束覆蓋范圍很大，所以相較傳統探頭，相控陣探頭在不移動或盡量少移動的情況下就能全覆蓋單晶片探頭掃查區域，因此其檢測效率遠遠高于常規的單通道超聲檢測設備。

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

2 二次共固化蒙皮結構的超聲檢測

2.1 二次共固化蒙皮結構

全機疲勞試驗中試件的二次共固化蒙皮結構如圖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：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 二次共固化蒙皮結構超聲信號分析

2.2.1 二次共固化蒙皮結構試樣

無損檢測是基于信號比對的一種測試方法，對比試塊是無損檢測過程中確定檢測基準的標準物質，它對檢測參數的確定、檢測靈敏度的調整、檢測結果的評判等都起著至關重要的作用。

以與疲勞試驗中同材料同工藝二次共固化蒙皮標準試樣為檢測對象，標準試樣中含有人工預制缺陷，缺陷形式為分層和脫粘，標準試塊設計如圖4所示，其中A-G為預制缺陷，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、G位置模擬下蒙皮不同深度的分層缺陷，H位置為完好結構。

2.2.2 超聲檢測結果分析

對標準試樣使用相控陣進行檢測，二次共固化工藝下當超聲探頭在A位置-H位置時會產生不同的超聲回波信號，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位置為完好結構的超聲回波圖5所示。

A位置-C位置預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，超聲信號在A缺陷處發生了反射，并未穿透A位置缺陷，回波信號特征如圖6（a）所示，B位置預制的分層缺陷位于二次共固化上蒙皮的中間層，超聲信號在B位置缺陷發生了反射，并未穿透B位置缺陷，回波信號特征如圖6（b）所示，C位置預制的分層缺陷位于二次共固化上蒙皮的下部層，超聲信號在C位置缺陷發生了反射，并未穿透C位置缺陷，回波信號特征如圖6（c）。

D位置預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，超聲信號分別在D位置和E位置的缺陷處發生了反射，并未穿透D位置和E位置的缺陷，D位置缺陷回波信號如圖7（a）所示，E位置缺陷回波信號如圖7（b）所示。

F位置和G位置預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，超聲信號傳播過程中會在二次共固化界面發生穿透和反射，超聲信號進入下蒙皮后會在F位置缺陷和G位置缺陷處發生發射，F位置缺陷形成的超聲信號如圖8（a）所示，G位置缺陷形成的超聲信號如圖8（b）所示。

3 超聲相控陣檢測驗證

以含缺陷的標準試樣作為基準，調節超聲相控陣的檢測參數，對疲勞試驗中的二次共固化蒙皮結構上的已知位置沖擊損傷進行了C掃描檢測，對二次共固化蒙皮完好區域進行了A超檢測驗證，超聲相控陣C掃描部位照片如圖9所示，采用標準試塊調節的超聲相控陣C掃描設備，將沖擊損傷-1，沖擊損傷-2均有效檢測出。

為了進一步驗證二次共固化蒙皮結構的超聲信號分析結果，采用A超對疲勞試驗中的二次共固化完好結構進行了實采，采樣A超波形如圖10中所示，圖中的完好結構的A超波形與圖5中H位置的超聲信號分析結果相一致。

4 結論

（1）本文中介紹了疲勞試驗中二次共固化蒙皮的結構特點，制作了含有缺陷的標準試樣，通過對標準試樣中不同位置預制缺陷超聲信號分析，得到了不同缺陷超聲信號回波圖譜。（2）通過標準試樣調節超聲相控陣設備參數，對疲勞試驗中的二次共固化蒙皮結構的沖擊損傷進行了檢測，有效的檢測出了沖擊損傷。（3）通過A超對疲勞試驗中的二次共固化結構完好區域進行信號采樣，得到的A超聲實測結果與標準試樣中完好區域的超聲信號分析結果相一致，進一步說明二次共固化蒙皮結構缺陷超聲回波信號圖譜，可以對疲勞試驗中的二次共固化結構缺陷定性提供參考。

參考文獻：

[1]王毅，馮憲章，李磊，等.復合材料層合板二次共固化補強膠層失效分析研究[J].機械強度，2012，34（06）：862-867.