大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造和檢測(cè)技術(shù)探析

◎趙月

目前，我國(guó)航空設(shè)備中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的用量逐漸增加，增強(qiáng)了飛機(jī)的抗沖擊性，保證飛機(jī)操作期間的安全性，機(jī)身質(zhì)量和強(qiáng)度也得到了優(yōu)化，在提升飛機(jī)整體性能的同時(shí)，也促進(jìn)了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。航空制造企業(yè)想要提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，則需要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，并對(duì)以往應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效檢測(cè)，保證大型飛機(jī)使用期間的安全性和穩(wěn)定性。

一、大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

1.數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

采用數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)可以預(yù)測(cè)零件制造周期、提高零件生產(chǎn)效率、縮短復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，同時(shí)可以減少材料浪費(fèi)及過(guò)程損耗，從而降低產(chǎn)品研制成本。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在設(shè)計(jì)-制造一體化方面采用較多的是基于美國(guó)VISTAGY公司在CATIA軟件平臺(tái)上開發(fā)用于復(fù)合材料制造和分析的FiberSIM軟件。應(yīng)用FiberSIM軟件可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)鋪層邊界，在CATIA軟件中生成三維視圖，并且可以將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維鋪層信息通過(guò)可展性分析后展開為二維鋪層信息，生成CAD文件，CAD文件經(jīng)鋪層切割數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件生成預(yù)浸料排料數(shù)據(jù)，在采用自動(dòng)剪裁機(jī)控制軟件進(jìn)行預(yù)浸料自動(dòng)剪裁及標(biāo)識(shí)。自動(dòng)剪裁技術(shù)的應(yīng)用取代了下料樣板及手工下料，鋪疊過(guò)程中再結(jié)合激光投影定位技術(shù)，將鋪層的形狀和纖維方向更準(zhǔn)確的投影在模具上，可以提高鋪疊的準(zhǔn)確性。

2.自動(dòng)化制造技術(shù)。

低成本的另一途徑是發(fā)展復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)，如自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）、自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP），纖維纏繞和拉擠技術(shù)等，檢測(cè)上采用C掃描等快速無(wú)損檢測(cè)方法可以大大更加生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)力成本，也減小了人為因素的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。自動(dòng)鋪帶與自動(dòng)鋪絲的共同特點(diǎn)是鋪貼速度快、質(zhì)量可靠性高，特別是針對(duì)大型復(fù)合材料零件制造，其中自動(dòng)鋪帶主要用于翼面等率曲較小的零件，由于預(yù)浸帶較寬，其效率較高；自動(dòng)鋪絲則更適用于復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、翼身融合體等，其適應(yīng)范圍寬，但效率遜于前者。

3.整體化膠接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。

復(fù)合材料整體成型技術(shù)是利用共固化或共膠接以及液體成型技術(shù)，直接實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次成型的制造技術(shù)。利用復(fù)合材料整體成型技術(shù)在很大程度上減小了零件數(shù)量、緊固件數(shù)量及整體質(zhì)量。目前，整體結(jié)構(gòu)除T型、工型等復(fù)合材料加筋壁板外，還大量采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其主要有2類：第一類為蜂窩夾層壁板結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是上、下面板較薄，一般不超過(guò)1mm，整個(gè)蜂窩夾層板厚度一般不超過(guò)30mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有梁、墻或肋作為支撐形成承力盒段；第二類為全高度變截面蜂窩結(jié)構(gòu)，主要用于方向舵、升降副翼等制造。

二、大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)

1.目測(cè)檢測(cè)法。

工作人員通過(guò)目測(cè)觀察的方法，對(duì)復(fù)合材料是否完整進(jìn)行檢查。在對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)之前，一定要將所有能檢查到的位置，都用目視檢查法進(jìn)行檢查。這是檢測(cè)工作中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用期間比較有效的檢查方法。目視檢查法會(huì)受到外界環(huán)境和檢查條件的影響，存在一定的局限性，可以利用照明工具、放大鏡、內(nèi)窺鏡等，來(lái)輔助目視檢測(cè)工作的開展。這種檢測(cè)方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)的裂紋、破損、腐蝕等情況。

2.敲擊檢測(cè)法。

敲擊檢測(cè)方法主要通過(guò)敲擊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)聲音來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。敲擊檢測(cè)方法對(duì)于結(jié)構(gòu)脫膠、分層損傷等情況，具有良好的檢測(cè)效果，操作上比較簡(jiǎn)單。如果使用小金屬構(gòu)件敲擊夾芯結(jié)構(gòu)，若沒有出現(xiàn)脫膠情況，則聲音較為清脆，若出現(xiàn)脫膠情況，則聲音發(fā)悶，金屬聲比較鈍。在使用這種方法進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)敲擊頻率來(lái)辨別結(jié)構(gòu)聲音變化差異。敲擊法也可以檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層和脫粘問題，特別在夾層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方面，效果尤為明顯。使用這種方法進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，一般都會(huì)使用敲擊小錘作為敲擊工具，可以使用木質(zhì)小錘，也可以采用金屬小錘。智能敲擊檢測(cè)是從普通的敲擊檢測(cè)法演變而來(lái)，利用現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字敲擊，通過(guò)檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率來(lái)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和缺陷進(jìn)行判斷。這種檢測(cè)方法比較適用于環(huán)境較為安靜的區(qū)域檢測(cè)，同時(shí)，也要保證檢測(cè)人員熟悉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在對(duì)厚度比較薄的部位進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要掌握好敲擊力度，避免對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成損壞。

3.超聲波檢測(cè)技術(shù)。

這種檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用期間，主要就是利用超聲波穿透被檢測(cè)結(jié)構(gòu)，通過(guò)超聲波頻率來(lái)確定復(fù)合材料是否存在損傷情況。這種檢測(cè)技術(shù)在目前的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)中比較常用，穿透性強(qiáng)、靈敏度高，在操作方面也比較簡(jiǎn)單，使用的儀器設(shè)備容易操作，同時(shí)也不會(huì)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成損壞，在外場(chǎng)維修檢測(cè)中比較方便。超聲波檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多種損傷情況進(jìn)行檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.X射線檢測(cè)技術(shù)。

X射線是一種電磁波，射線的穿透力比較強(qiáng)，在穿過(guò)被檢測(cè)物體時(shí)，能量會(huì)被吸收，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。如果飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中存在裂縫、孔洞等問題，或者內(nèi)部存在其他物質(zhì)，X射線的吸收程度就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)X射線顯影來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否存在安全隱患。另外，X射線檢測(cè)技術(shù)還可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的橫向裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)語(yǔ)：飛機(jī)制造中復(fù)合材料的用量逐漸增多，其與飛機(jī)的先進(jìn)性有些密切的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用，是飛機(jī)制造行業(yè)發(fā)展期間的主要問題。要掌握大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，根據(jù)飛機(jī)制造需求實(shí)現(xiàn)技術(shù)的有效應(yīng)用，保證飛機(jī)的制造效果，確保可以將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的作用和性能體現(xiàn)出來(lái)。另外，為了保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量，也需要對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)，應(yīng)用不同的檢測(cè)方法對(duì)飛機(jī)的不同結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理，保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用期間的有效性。