復(fù)合材料蜂窩夾芯缺陷超聲檢測模擬研究

郝威，李明，徐瑩，馬志遠，王玨，林莉

（1.沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034；2.大連理工大學(xué) 無損檢測研究所，遼寧大連 116024）

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是航空、航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域重要的減重材料[1]，其中芳綸紙蜂窩由于其突出的力學(xué)性能穩(wěn)定性、耐腐蝕性、阻燃性、耐環(huán)境性，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛[2]。但蜂窩夾層構(gòu)件由于其復(fù)雜的制備工藝及結(jié)構(gòu)特點，很容易在制造和服役過程中形成缺陷，因此需要針對其進行100%無損檢測。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常用超聲法、射線法和紅外熱成像進行檢測[3-4]。射線法對蜂窩芯格變形、芯格大幅度壓塌缺陷較為敏感，但檢測過程中需要充分考慮有效透照區(qū)，避免蜂窩芯格影響重疊影響缺陷識別[5-6]。紅外熱成像法僅能表征蜂窩分層、脫粘、夾雜缺陷及蜂窩孔格進水[7-8]。超聲波法由于其穿透性強，操作簡單，成本低，對面積型缺陷較為敏感，是一種檢測復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)缺陷的常用方法，但目前多用來針對蒙皮的分層或是界面脫粘缺陷進行研究[9-10]。實際檢測中發(fā)現(xiàn)，蜂窩芯格塌陷和胞壁鼓泡等缺陷也會造成超聲大幅度的衰減[10]，但目前尚無針對此類蜂窩芯格缺陷對超聲衰減影響的理論研究。

為了研究不同缺陷對超聲衰減的影響，可以采用制備試塊和數(shù)值模擬兩種方法。制備試塊耗時費力且昂貴，更主要的是目前工程上制備的試塊多為分層、夾雜及脫粘缺陷，其他類型的缺陷模擬試塊較難制備[3]。因此，本文針對常用噴水超聲穿透法C 掃描檢測蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中遇到的芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷造成超聲大幅度衰減的問題，采用3D 有限元建模仿真方法，開展了蜂窩芯格不同缺陷類型引起的透射聲波幅值差異的分析，解釋了實際超聲C 掃描檢測中遇到的大幅度衰減現(xiàn)象，為有效提高缺陷的辨識、定位定量分析提供理論指導(dǎo)。

1 檢測對象及結(jié)果

1.1 檢測對象

復(fù)合材料蜂窩夾層零件由上、下蒙皮和中間蜂窩芯組成，采用共固化工藝成型。蜂窩芯材料為對位芳綸紙蜂窩，由一系列邊長為3 mm 的六邊形蜂窩格構(gòu)成，蜂窩高度為15.3 mm，格壁厚為0.20 mm；上、下蒙皮材料為樹脂基碳纖維蒙皮，厚度分別為1.13 mm 和1.30 mm；膠膜厚度為0.15 mm。解剖發(fā)現(xiàn)實際生產(chǎn)中該類零件會分別產(chǎn)生芯格壓塌和胞壁鼓泡缺陷（缺陷部位已用圓圈標注），如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層缺陷Fig.1 Honeycomb core defects in carbon composite honeycomb sandwich structure

采用阿基米德排水法測量蒙皮密度，采用超聲反射法、透射法測量蒙皮與蜂窩壁的縱波聲速，采用超聲波水浸聚焦技術(shù)可計算得到蒙皮的彈性模量、聲阻抗等聲學(xué)參數(shù)。復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)幾何與聲學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of composite honeycomb sandwich structure

1.2 檢測結(jié)果

噴水式脈沖穿透法C 掃描設(shè)備為英國超聲波科學(xué)有限公司生產(chǎn)的CG8-1.5-2.9超聲噴水C 掃描檢測系統(tǒng)，超聲換能器為Imasonic 的水浸平探頭，晶片直徑為19 mm，噴嘴直徑為6 mm，頻率為1 MHz。零件C 掃描檢測結(jié)果如圖2所示。胞壁鼓泡缺陷的超聲衰減量為10～20 dB，芯格壓塌的超聲衰減量為12～26 dB。鼓泡缺陷的產(chǎn)生可能是芳綸紙破壞分離或儲存固化參數(shù)不當[10]，壓塌缺陷的產(chǎn)生可能是外力載荷下蜂窩芯子失穩(wěn)失效[10-11]。

圖2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)噴水穿透法C-掃描圖Fig.2 Water-squirting through-transmission ultrasonic C-scan images of honeycomb sandwich structures

2 數(shù)值模擬

2.1 模型設(shè)置

采用數(shù)值模擬技術(shù)輔助超聲波檢測可以對檢測中發(fā)生的可疑信號進行識別判定，找出可疑信號的發(fā)生機理，也可以對可能出現(xiàn)的信號進行預(yù)演，提高檢測效率[12-13]。用于本文數(shù)值模擬的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型采用Auto CAD2010構(gòu)建。圖3為無缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型，模型由上、下蒙皮及7個蜂窩格構(gòu)成，模型各部分厚度與零件相同，密度及聲學(xué)性質(zhì)見表1。

圖3 蜂窩芯完好的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Model of honeycomb sandwich structure with intact honeycomb core

圖4為蜂窩芯存在鼓泡缺陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型，分別構(gòu)建了1排、2排、3排直徑為2 mm 的鼓泡缺陷，用來研究鼓泡缺陷個數(shù)對超聲衰減的影響；另外分別構(gòu)建了3排直徑為2 mm、2.2 mm、2.5 mm、2.8 mm 的鼓泡缺陷，用來研究鼓泡缺陷大小對超聲衰減的影響。

圖4 蜂窩芯鼓泡的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Model of honeycomb sandwich structure with lattices bubbling defects honeycomb core

圖5為蜂窩芯存在塌陷缺陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型。分別構(gòu)建1個、4個和7個蜂窩格塌陷的3種情況，塌陷半高為0.15 mm，內(nèi)伸長度為0.5 mm，用來研究壓塌缺陷個數(shù)對超聲衰減的影響；另外分別構(gòu)建了7個蜂窩全部壓塌，塌陷內(nèi)伸長度為0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.6 mm 的5種情況，用來研究塌陷程度對超聲衰減的影響。用于模擬計算的激勵聲源中心頻率為1.0 MHz。

圖5 蜂窩芯塌陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Model of honeycomb sandwich structure with lattices collapse defects honeycomb core

為了保證數(shù)值模擬收斂性，網(wǎng)格化尺寸和求解時間步長的設(shè)置嚴格滿足有限元模擬計算的CFL標準[14]。為了保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性，入射聲源設(shè)置為高斯正弦脈沖型聲壓函數(shù)，可表示為

式中：A為聲源加載的幅值；t0為持續(xù)時間；f為主頻；Q為帶寬系數(shù)。

2.2 模擬結(jié)果與討論

表2和表3分別給出了鼓泡缺陷模型、塌陷缺陷模型與無缺陷模型的透射波幅值對比結(jié)果。鼓泡缺陷的透射波幅值衰減范圍為0～26.1 dB，塌陷缺陷的透射波幅值衰減范圍為0～32.2 dB。隨著鼓泡缺陷、塌陷缺陷數(shù)量的增加以及缺陷尺寸的增大，透射波的幅值隨之明顯降低。模擬結(jié)果包含實際檢測中缺陷零件的超聲衰減范圍（鼓泡缺陷零件的超聲衰減量為10～20 dB，塌陷缺陷零件的超聲衰減量為12～26 dB），與實際檢測結(jié)果具有較好的一致性，從理論上驗證了芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷能夠引起超聲波大幅度衰減的現(xiàn)象。

表2 鼓泡缺陷對透射幅值變化的影響Tab.2 Effect of lattices bubbling defects on transmission amplitude changes

表3 塌陷缺陷對透射幅值變化的影響Tab.3 Effect of lattices collapse defects on transmission amplitude changes

圖6分別給出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)無缺陷、蜂窩芯塌陷缺陷模型和鼓泡缺陷模型的波場快照。超聲波在蜂窩芯中傳播會向四周蜂窩格擴散。相較于無缺陷模型，蜂窩芯塌陷模型的透射波幅值在塌陷聲波入射側(cè)出現(xiàn)高幅值，這是因為聲波遇到塌陷被阻擋發(fā)生明顯的反射和折射，而且透過塌陷的聲波變?nèi)酢Ｍ瑯拥?，鼓泡缺陷模型的透射波幅值在鼓泡部位呈現(xiàn)高幅值，也是因為聲波遇到鼓泡缺陷發(fā)生明顯的反射和折射，使得透過的聲波變?nèi)酢?/p>

圖6 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型波場快照Fig.6 Wavefield snapshot of honeycomb sandwich structure model

分析超聲波在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中傳播路徑如下：超聲波通過水傳播到蒙皮，通過蒙皮進入蜂窩壁。由于超聲波長（3 mm）遠大于蜂窩壁厚（0.2 mm），超聲波會在蜂窩壁以導(dǎo)波的形式將振動傳遞到下蒙皮[15]，進而被接收探頭接收。當蜂窩芯存在鼓泡或壓塌缺陷時，蜂窩壁發(fā)生彎折，使得超聲波信號在缺陷位置發(fā)生明顯的反射和折射，且缺陷尺寸越大、數(shù)量越多，透過缺陷的聲波越弱，接收探頭幾乎收不到超聲信號，與周邊優(yōu)區(qū)信號形成明顯差異。

3 結(jié)論

1）穿透法超聲對蜂窩鼓泡缺陷和壓塌缺陷的檢測靈敏度較高，兩類缺陷均可造成超聲透射幅值大幅度衰減。仿真模擬結(jié)果與實際檢測結(jié)果接近；

2）缺陷大小、個數(shù)與超聲衰減量成正相關(guān)，壓塌幅度越大、鼓泡節(jié)點分離越大、衰減幅度越大；

3）造成透射幅值大幅度衰減的原因，可能是由于超聲波在蜂窩壁中以導(dǎo)波的形式傳播，在缺陷位置會發(fā)生明顯的反射和折射。