在役航空器上復合材料的綜合檢測與評價

陳新波，孫金立，袁英民，張海兵

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，青島 266041）

目前，復合材料在飛機上的應用達到空前的規(guī)模，迄今為止，戰(zhàn)斗機上使用的復合材料占所用材料總量的30% 左右，新一代戰(zhàn)斗機達到40% ；直升機和小型飛機復合材料用量達到70%～80% 左右，甚至出現(xiàn)全復合材料飛機［1］。對飛機的高質(zhì)量、高可靠性和高性能的要求，必須對復合材料進行100%無損檢測。目前對復合材料的檢測還沒有一套行之有效的方法。

筆者針對在役航空器上復合材料構(gòu)件的服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式與損傷類型，確定了其檢測方法，并在實踐中進行了應用。

1 復合材料結(jié)構(gòu)形式與損傷類型

對使用復合材料的10余個機型進行了統(tǒng)計分析，對每種機型復合材料的部位和結(jié)構(gòu)形式進行了統(tǒng)計，對損傷類型進行了分析，得出航空復合材料結(jié)構(gòu)形式與損傷類型有如下特點：

（1）飛機復合材料主要分布在機翼、垂尾、方向舵、雷達罩、壁板等部件。

（2）復合材料結(jié)構(gòu)形式主要為蜂窩、金屬膠接、層壓、碳纖維和玻璃纖維結(jié)構(gòu)。

（3）缺陷類型主要為表面損傷、分層和脫膠等。

2 復合材料無損檢測方法

目前，國內(nèi)外無損檢測方法有七十多種，能用于復合材料檢測的方法有十幾種，如超聲檢測、紅外檢測、微波檢測、聲振檢測、渦流檢測、激光散斑成像檢測、太赫茲檢測、X 射線實時成像檢測等方法。對上述諸方法的檢測特點、適用性進行了分析比較，結(jié)合航空裝備保障特點，確立了超聲檢測、聲振檢測、激光散斑成像檢測和X 射線實時成像檢測于一體的綜合檢測體系。

2.1 超聲檢測

在復合材料的無損檢測中，超聲檢測技術主要用來檢測層壓結(jié)構(gòu)分層和蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘等面積型缺陷，與其他方法相比，具有靈敏度高、定位精確的優(yōu)勢。采用超聲回波法可對上述缺陷達到理想的檢測效果。

2.2 聲振檢測

聲振檢測是激勵被測件產(chǎn)生機械振動，測量其振動的特征判定其質(zhì)量的技術。在檢測金屬膠接結(jié)構(gòu)脫膠缺陷中具有獨特的優(yōu)勢，操作簡單，靈敏度高，因此，適合檢測直升機旋翼槳葉與尾槳槳葉。

針對金屬膠接結(jié)構(gòu)的特點，研制了壓電式專用傳感器。壓電式傳感器具有頻響寬（高頻響應好），可有效地抑制傳感器固有頻率共振，具有靈敏度高、機械阻抗大、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，檢查金屬膠接結(jié)構(gòu)較為理想。

2.3 激光散斑成像檢測

激光散斑成像檢測具有檢測結(jié)果直觀、精度高、速度快等優(yōu)點，主要用于蜂窩結(jié)構(gòu)、夾玻璃布膠板、玻璃纖維、碳纖維等結(jié)構(gòu)的檢測。目前，美國、加拿大、日本等先進國家已經(jīng)廣泛應用于飛機復合材料的檢測中。但激光檢測在圖像處理和加載方式上需要根據(jù)檢測對象的具體情況進行研究。在引進了美國的一臺激光散斑成像檢測系統(tǒng)的基礎上，對加載方式和檢測方法等進行了研究與開發(fā)。

2.3.1 檢測方法

基于切割技術的激光散斑位移測量方法，減小了采樣面積，提高了信噪比，增大了有效測量范圍，提高了檢測效率。運用空間載波Fourier變換法對復合材料形變的位移導數(shù)場進行測量時，所測得試驗結(jié)果與理論值相比，時間相移法對測量環(huán)境的抗干擾能力弱，而空間載波Fourier變換法，在測量過程中對環(huán)境的抗干擾能力強，并且僅需要采集一幅或兩幅干涉條紋圖；但是它的數(shù)據(jù)處理過程相對復雜，需要利用傅里葉變換，把干涉條紋圖從空間域變換到頻率域，在頻率域?qū)⒏哳l噪聲與載波項去掉，而僅僅保留變形條紋中的頻率，然后利用逆傅里葉變換把頻率域還原到空間域得到一個復數(shù)的條紋分布，這樣通過復數(shù)的運算即可計算出條紋場的位相值，測量精度比時間相移法低。但是在它的測量過程中，由于只需要采集一幅或兩幅干涉條紋圖，且對測量環(huán)境的抗干擾能力強、抗震性高，因此可用于動態(tài)或振動條件下的測量，適合實時檢測。

2.3.2 加載方式

常用的加載方式有熱加載、真空加載和壓電陶瓷晶片激振加載。真空加載技術條件較為成熟，但檢測時需拆卸結(jié)構(gòu)件并只限于小型件，不能滿足外場原位快速檢測；熱加載方式設備簡單，但受到材料溫度敏感性和缺陷深度影響，也不適合于外場使用；壓電陶瓷晶片激振加載一般是將作為激振器的壓電陶瓷粘貼在被檢測物體上，為接觸性加載，直接影響檢測效果。

寬音頻掃描激振非接觸加載系統(tǒng)在加載同一個缺陷時會在多個掃描頻率下發(fā)生振動，其中有一個是基頻諧振頻率，其散斑條紋圖清晰，具有快速、連續(xù)、非接觸等優(yōu)點，完全符合飛機復合材料外場原位檢測的加載要求。

2.4 X射線實時成像檢測

X 射線實時成像檢測具有檢測精度高、缺陷圖像可視等特點，對內(nèi)部缺陷可以實現(xiàn)動態(tài)快速檢測，在檢測過程的實時性、檢測效率、經(jīng)濟性以及遠程傳送和方便實用等方面具有優(yōu)越性。主要用于檢測蜂窩結(jié)構(gòu)的芯子壓壞、基體裂紋、穿孔等體積型缺陷。

2.4.1 缺陷提取方法

準確有效地提取缺陷，是實現(xiàn)復合材料X 射線成像檢測的關鍵問題。復合材料X 射線圖像中，存在較大的灰度波動，這使得復合材料的X 射線圖像類似于在一些均質(zhì)材料的X 射線圖像上疊加了許多的高頻噪聲。EMD 方法卓越的“時頻”局部化多尺度分析能力和自適應思想，為復合材料缺陷的提取提供了有效的方法。具體流程如圖1所示［2］：

圖1 EMD 方法流程圖

2.4.2 圖像處理

在X 射線檢測系統(tǒng)中，為了提高缺陷的檢測靈敏度，往往采用提高圖像的對比度的方法，但對于一些大尺寸、多厚度的工件，其靈敏度反而降低。為了解決這一矛盾，采用基于像素灰度值獨立方程重構(gòu)高分辨率圖像的技術，有效解決了由射線檢測對比度與寬容度之間的沖突帶來的檢測靈敏度不高的難題。

該技術利用微掃描法獲取序列低分辨率圖像，分析半像素錯位的序列低分辨力圖像與高分辨力圖像各像素灰度值的對應關系，建立了高分辨率圖像的像素灰度值獨立方程，并利用像素灰度值獨立方程重構(gòu)高分辨率圖像，很好地解決了混淆效應對成像質(zhì)量的影響。

3 復合材料典型缺陷圖例

復合材料損傷缺陷的識別是檢測過程中的一個重要環(huán)節(jié)。在實際檢測中，探傷人員對復合材料的缺陷認識不清，難以評定。針對航空構(gòu)件所采用的復合材料類型，分析了復合材料在使用過程中容易產(chǎn)生的缺陷與損傷，收集制作了典型的復合材料缺陷試件，分別通過綜合檢測系統(tǒng)進行檢測，檢測過程中采集了大量的缺陷信號并進行了分析，完成了航空構(gòu)件復合材料常見缺陷的識別，得到了復合材料典型缺陷圖例，用于指導實際檢測。典型缺陷圖例如圖2～4所示。

4 評估標準

4.1 超聲檢測評估標準

根據(jù)航空構(gòu)件復合材料損傷特點，在分析評價復合材料結(jié)構(gòu)特點和超聲信號規(guī)律的基礎上，建立了復合材料缺陷超聲評估標準。圖5是采用聲束較寬的垂直入射壓電式超聲探頭，中心頻率為2 MHz，對分層和蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘建立的評估標準曲線。

4.2 射線實時成像檢測評估標準

基于像素灰度值獨立方程重構(gòu)高分辨力圖像的技術、數(shù)字信號處理理論以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡知識的基礎，實現(xiàn)了對復合材料缺陷信號的數(shù)學分析、模式識別等功能，利用邊界測量法，缺陷大小可自動生成并顯示在缺陷處，圖6所示為一缺陷評估例圖。

4.3 激光散斑成像檢測評估標準

運用基于切割技術的激光散斑位移測量方法，對缺陷處形成的激光散斑圖像根據(jù)激光動態(tài)散斑相關函數(shù)設計預測模型，并以此為基礎進行像素測量，實現(xiàn)了對激光散斑剪切圖像的實時測量，測得的結(jié)果即缺陷實際大小，圖7所示為一缺陷評估例圖。

5 應用效果

從2009年10月開始，對有復合材料的10余個機型共計200余架次進行了檢測，發(fā)現(xiàn)復合材料缺陷52起。如檢測某型直升機旋翼槳葉后段件與大梁膠結(jié)處開膠8處，某型殲擊機水平尾翼蜂窩結(jié)構(gòu)脫膠3處、垂尾蜂窩結(jié)構(gòu)脫膠2處，某型殲擊機機翼翼尖后段、平尾后段蜂窩結(jié)構(gòu)脫膠5處。使用這些方法檢測速度快，效果好，解決了航空復合材料構(gòu)件原位探傷的難題，提高了飛行的安全可靠性。

6 結(jié)語

針對在役航空器上復合材料構(gòu)件的服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式與損傷類型，確定了適合外場環(huán)境復合材料檢測的四種方法，分別通過綜合檢測系統(tǒng)進行檢測，完成了航空構(gòu)件復合材料常見缺陷的識別，得到了復合材料典型缺陷圖例與評估標準。經(jīng)實踐應用證明，取得了良好的檢測效果。

［1］ 周正干，向上，魏東，等.復合材料的超聲檢測技術［J］.航空制造技術，2009（8）：70－73.

［2］ 張海兵，孫金立.X 射線成像技術在飛機復合材料檢測中的應用［J］.航空維修與工程，2009（6）：81－82.