朱冬冰，姚文勝，姚沛衡，楊辰龍

(1.浙江大學,流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室,杭州 310027； 2.浙江省特種設備科學研究院,杭州 310020)

航空航天工業(yè)作為人類頂尖飛行技術的集大成者,對材料的密度、剛性和強度提出了更高的硬性要求。美國波音和歐洲空客等航空制造型企業(yè)開創(chuàng)性地將復合材料成功應用到飛機主承力件機翼和機身等構(gòu)件上,引發(fā)了行業(yè)內(nèi)采用復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的狂潮[1]。復合材料對航空航天工業(yè)影響巨大,提高復合材料對傳統(tǒng)材料的替換率會帶來連鎖減重效應；除此之外交通運輸、海洋艦艇、石油管道等領域也對復合材料極其青睞。復合材料在全球有龐大的需求和廣泛的應用場景,這對復合材料的生產(chǎn)技術提出了巨大的考驗。由于設計、制造與檢測技術的限制,在大型復雜構(gòu)件上復合材料應用的優(yōu)越性還沒有得到完全發(fā)揮。制造成本相對較高、產(chǎn)能不足成品率低是復合材料結(jié)構(gòu)制造技術中需要解決的主要問題[2-4]。

復合材料液體成型技術(LCM)是一種常見的復合材料制造工藝。由于工藝技術限制,最終得到的復合材料內(nèi)部可能會存在缺陷,而缺陷將造成制件整體性能下降并留下安全隱患。通過監(jiān)測LCM 工藝中樹脂流動前鋒可以優(yōu)化樹脂注入策略,減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生,提升復合材料制品的質(zhì)量。

1 LCM工藝制件缺陷原因

LCM 中使用的導流介質(zhì)特點在于它是高滲透性的多孔介質(zhì),其滲透率通常比纖維預成型體大兩個數(shù)量級。在LCM工藝過程中,樹脂液體在兩種滲透率相差很大的多孔介質(zhì)中流動,在預成型體厚度方向靠近導流介質(zhì)的樹脂膠液流速會較快,而在預成型體厚度方向遠離導流介質(zhì)的樹脂膠液流動較慢,導致預成型體厚度方向上會形成三維楔形流動前鋒,流速快的位置與流速慢的位置之差定義為d,超前-遲滯效應示意圖如圖1 所示。該現(xiàn)象稱為超前-遲滯效應[5]。

圖1 超前-遲滯效應示意圖

假設在樹脂充模后期,由于導流介質(zhì)的原因纖維預成型體上表面將率先被完全浸透。但是超前-遲滯效應的存在會讓導流介質(zhì)中樹脂流動前鋒首先到達真空口,此時樹脂液體將經(jīng)過導流介質(zhì)被真空口快速抽走致使預成型體流動前鋒差距d范圍內(nèi)的纖維預成型體難以被完全浸透,從而容易造成干區(qū)或干斑缺陷,其示意圖如圖2所示。

圖2 LCM工藝的復合材料常見缺陷

LCM工藝中只要鋪敷導流介質(zhì)就會存在超前-遲滯效應,要避免流道效應引發(fā)缺陷的有效方法是調(diào)整導流介質(zhì)的鋪放比例,留出一定的導流介質(zhì)未覆蓋區(qū)域。通過多導流介質(zhì)未覆蓋區(qū)域的逐級緩沖,減小纖維預成型體上下表面樹脂流動前鋒差距而基本實現(xiàn)纖維預成型體的完全浸漬[6-7]。

因此,LCM工藝樹脂浸漬過程實時監(jiān)測技術應運而生,通過監(jiān)測預成型體底部樹脂流動行為來控制澆注口和真空口的開啟與關閉時機,優(yōu)化樹脂注入策略,減少復合材料干區(qū)、干斑和空洞等缺陷出現(xiàn)的概率,提升復合材料制品的質(zhì)量。

2 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測技術現(xiàn)狀

德國航空航天中心[8](DLR)為歐盟項目即復合材料混合結(jié)構(gòu)的低成本制造和組裝項目開發(fā)和研究未來飛機的制造和組裝過程。DLR 采用24 通道超聲壓電陶瓷晶片對肋板注入成型過程進行樹脂流動前鋒實時監(jiān)測,復合材料飛機肋板如圖3所示。依據(jù)各個傳感器的流動前鋒到達時間和流動前鋒的速度,大致刻畫出了流動前鋒的基本形狀,為后續(xù)控制過程提供了有效的參考依據(jù)。

圖3 復合材料飛機肋板

DLR 機構(gòu)還提出了“Infusion 4.0”概念,通過設計開發(fā)多傳感器融合的智能模具來實現(xiàn)對樹脂注入過程的多角度監(jiān)測。他們在制造飛機復合材料肋板時,研發(fā)了具備監(jiān)測能力的智能模具。

英國的綜合創(chuàng)新技術公司作為空客、德國航空航天中心和奧迪等知名公司及研究機構(gòu)的技術提供商,研發(fā)出了碳纖維復合材料生產(chǎn)中的質(zhì)量監(jiān)控與過程控制綜合系統(tǒng),其示意圖如圖4 所示。該系統(tǒng)采用了光學、熱學和聲學傳感器,全面監(jiān)測了樹脂流動、樹脂固化、樹脂黏度和混合比質(zhì)量。系統(tǒng)為了減少聲耦合干擾將超聲傳感器以半嵌入的方式將其安裝在樹脂傳遞成型工藝(RTM)模具之上,減少了超聲波的界面衰減。圖中灰色箭頭所標的就是半嵌入式傳感器固定在模具中。

圖4 CFRP制造過程監(jiān)測系統(tǒng)

德國聯(lián)邦材料研究和測試協(xié)會開發(fā)了復合材料制造過程超聲監(jiān)控系統(tǒng)用于熱壓罐工藝過程實時監(jiān)測[9],實現(xiàn)了對復合材料超聲監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進行實時處理并繪制可視化曲線。

在其他基礎研究方面,Schmachtenberg 等[10]使用4 MHz超聲波探頭,對樹脂傳遞成型中樹脂流動前鋒進行了監(jiān)測。Pindinelli等[11]為了解決無法精確得到模具中樹脂厚度變化的問題,將超聲探頭集成在平行盤形流變儀上進行測量。此外,Lionetto等[12]將壓電晶片主動傳感器集成到模具上作為超聲波的發(fā)射器和接收器,降低了聲界面耦合誤差。黃貴飛[13]運用超聲穿透法對環(huán)氧樹脂的固化反應過程進行監(jiān)測,研究了超聲波振幅衰減與樹脂固化時間的內(nèi)在關系,對樹脂固化反應機理進行了解釋與討論。郭俊剛等[14]充分研究比較了光纖方法、超聲方法、電學方法和熱學方法等在復合材料液體成型制造工藝中的應用,認為超聲方法成本低、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度較高,可以探測樹脂流動前鋒并監(jiān)測樹脂固化過程。李煜坤[15]提出了一種基于壓電阻抗和Lamb 波相結(jié)合的方法,實現(xiàn)LCM 工藝過程中從全面的固化度綜合評估。EI Amaoui A 等[16]通過秩條件分析系統(tǒng)的可觀測性,提出了一種用于確定液體復合材料成型過程可觀察性的監(jiān)測器。

3 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測技術研究存在的難點

(1)LCM超聲監(jiān)測系統(tǒng)對樹脂流動前鋒各項物理特征參數(shù)難以定量描述,復合材料液體成型過程中樹脂流動的行為受樹脂注入口位置、真空口位置及其注入流道長度等外界因素影響,同時也與預成型體纖維層數(shù)、樹脂黏度等內(nèi)部條件有關。

(2)超聲傳感器硬件參數(shù)選擇缺乏系統(tǒng)性,超聲探頭屬于集成程度較高的傳感器,它硬件參數(shù)繁多,為了獲得合適的參數(shù),還必須結(jié)合模具的尺寸及其材料特性,以實驗的方式獲得最佳傳感器,為后續(xù)信號處理技術的應用奠定基礎。

(3)超聲監(jiān)測系統(tǒng)難以監(jiān)測樹脂流動前鋒厚度參數(shù),樹脂浸漬纖維預成型體后整個體系處于固液混合物狀態(tài),該狀態(tài)的聲學特性非常復雜。在樹脂纖維混合物中超聲波監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射的超聲波會存在穿透力不足和能量損失的問題,這為后續(xù)通過超聲波時域信號表征樹脂流動前鋒厚度參數(shù)帶來了很大的難度。

(4)超聲監(jiān)測系統(tǒng)移植到工業(yè)場景中缺乏便利性,硬件系統(tǒng)中各類傳感器及其輔助集成器件的復雜布置,軟件系統(tǒng)除了超聲信號的處理與數(shù)據(jù)可視化,還需要考慮現(xiàn)場布置模式改變后與傳感器的協(xié)同性,這就需要軟件設計要有強大的柔性。

4 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測技術

4.1 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測原理

筆者采用脈沖反射法來研究樹脂流動前鋒的物理參數(shù),定義某次脈沖回波信號的幅值為PE為脈沖回波Pulso Echo首字母縮寫,右上角上標i代表第i次模具-樹脂纖維浸漬物界面的脈沖回波,多次反射會使超聲波能量銳減,故i一般≤4。脈沖反射法監(jiān)測樹脂流動前鋒演變示意圖如圖5 所示,圖中顯示了脈沖反射法監(jiān)測樹脂流動前鋒的傳感器布置圖分別代表第一次和第二次界面回波。對應的信號時域圖如圖6 所示,圖中矩形框標示的信號脈沖尖峰1為對應的回波,圖中標示的信號尖峰2為對應的回波。

圖5 脈沖反射法監(jiān)測樹脂流動前鋒演變示意圖

圖6 脈沖反射法監(jiān)測信號時域圖

為了排除不同傳感器之間的個體幅值差異,需要將脈沖回波幅值歸一化處理。將樹脂未到達區(qū)域?qū)幕夭ǚ涤涀鞒跏贾礎PE,init。由于空氣中的聲阻抗(Z空氣) ?模具中的聲阻抗(Z模具),反射系數(shù)約等于1,對應滿值初始回波,也就是超聲波能量基本全反射。所以,歸一化幅值寫作：

因此,在樹脂流動前鋒到達之前(圖5D 傳感器),歸一化脈沖回波幅值樹脂流動前鋒小部分到達傳感器感應范圍后(圖5中C傳感器),歸一化脈沖回波幅值開始逐漸變小隨著壓電晶片被覆蓋范圍變大(圖5B傳感器),聲波經(jīng)過較高聲阻抗的樹脂,其折射波能量提升導致持續(xù)減小,當樹脂完全覆蓋傳感器感應范圍之后(圖5A傳感器)趨于穩(wěn)定值。該過程的超聲波信號幅值變化曲線如圖7 所示,歸一化幅值變化曲線如圖8所示,該曲線采用了一次回波來衡量變化情況。

圖7 脈沖反射法監(jiān)測信號幅值變化曲線

圖8 脈沖反射法監(jiān)測信號歸一化幅值變化曲線

實際操作中只需要選擇某次脈沖回波作為研究對象即可,為方便觀察測量選擇的脈沖回波在初始狀態(tài)下必須大于總量程(最大255)的80%。當樹脂流動前鋒到達傳感器監(jiān)測位置浸漬干纖維預成型體時,樹脂因較高的聲阻抗會降低聲壓反射系數(shù)的值。假設樹脂未到來時刻(圖5D 傳感器)的聲壓反射系數(shù)為R0,某時刻樹脂到達后的聲壓反射系數(shù)記作Rk,那么可以表示為式(2)：

在樹脂流動前鋒通過期間,假設將壓電元件的幾何形狀區(qū)域看作理想傳感器,即所有區(qū)域均分布有均勻強度聲壓。將壓電陶瓷晶片表面有效面積上的聲壓反射率記為Reffective,傳感器已經(jīng)潤濕的面積記為Swetting,傳感器幾何面積記為Ssensor。根據(jù)前述內(nèi)容,在樹脂未到來時刻的界面聲壓反射系數(shù)為R0；在潤濕干纖維后,模具-纖維界面的聲壓反射系數(shù)變?yōu)镽k。根據(jù)以上假設來得到整體理想壓電元件的有效聲壓反射率表達式如下：

理想傳感器與實際傳感器存在差異,由于任何壓電晶片的超聲聲場都不是均勻分布的,與脈沖回波信號相關的成型模具-樹脂纖維浸漬物界面處的有效聲壓反射率規(guī)律并不符合公式(3)。同樣的,理想傳感器脈沖回波信號的歸一化幅值也可以由理想傳感器有效聲壓反射系數(shù)Reffective給出公式(4)：

公式(4)中的聲壓反射系數(shù)與兩種介質(zhì)(模具材料、樹脂纖維浸漬物)的聲阻抗有關,在樹脂浸漬過程中溫度壓力等環(huán)境因素不會出現(xiàn)較大變化,介質(zhì)的聲阻抗基本維持穩(wěn)定。因此,容易得到理想傳感器的脈沖回波歸一化幅值只和當前傳感器范圍內(nèi)樹脂浸濕的面積有關,可以看作是唯一變量。

從上述研究來看,無論壓電晶片主動傳感器的聲場是否均勻,樹脂流動前鋒到達傳感器感應區(qū)域后都會直觀地表現(xiàn)在信號中,具體形式就是界面信號脈沖幅值的顯著減小。所以只要有適宜數(shù)量的傳感器布置,記錄每個點位流動前鋒到達的時刻就能夠近似還原樹脂流動前鋒的整體形狀。

4.2 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測系統(tǒng)設計

典型真空輔助RTM(VARTM)工藝下的楔形樹脂流動前鋒如圖9 所示,基于楔形流動前鋒結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀,憑肉眼觀察上部樹脂流動前鋒將錯誤地估計樹脂流動前鋒在纖維預成型體中的實時位置,致使后續(xù)環(huán)氧樹脂注入口和抽取真空口控制通斷關系混亂造成最終復合材料制件報廢。因此,通過樹脂流動前鋒多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng)得到纖維底部樹脂浸漬位置信息,并將該信息和下位機控制器通訊即可實現(xiàn)精準的澆注口和真空口管路通斷控制。

圖9 典型VARTM工藝下的楔形樹脂流動前鋒

對LCM 工藝纖維預成型體中樹脂流動過程進行研究,針對嵌入式傳感器實時監(jiān)測技術易破壞復合材料制品性能的局限性,引入了非嵌入式超聲壓電晶片主動傳感器對復合材料液體成型樹脂浸漬過程進行在線監(jiān)測,通過對壓電晶片超聲信號的分析,建立了超聲信號特征與樹脂流動前鋒有關特征參數(shù)的關系。在此基礎上開發(fā)了纖維增強復合材料預成型體中樹脂流動前鋒多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了樹脂流動前鋒到達位置的監(jiān)測。筆者研究的最終目標是提供一種可靠、精確以及完整的樹脂流動前鋒多元化特征參數(shù)監(jiān)控方法和組合系統(tǒng)。獲取樹脂流動前鋒多種特征參數(shù)可以更好地理解當前工藝方法對液體成型過程的影響,從而使得實時調(diào)整LCM工藝進程成為可能。

(1)樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計。

纖維預成型體中樹脂流動前鋒多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng)由64通道高頻超聲波傳感器、高速超聲波數(shù)據(jù)采集卡、電氣控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機等組成,其工業(yè)布置的示意圖如圖10 所示。上位機作為軟件運行載體,內(nèi)部安裝了高速超聲波數(shù)據(jù)采集卡。高頻超聲波傳感器依照監(jiān)測控制需求有序地安裝在模具底部,通過超聲信號線與上位機的采集卡連接。樹脂存儲罐中有添加了固化劑的環(huán)氧樹脂,與4 個注入管路口連接,初始狀態(tài)下所有注入管路都處于關閉狀態(tài),澆注開始后根據(jù)樹脂流動前鋒位置依次打開。4 個真空管路口與真空泵相連,在實驗開始前將持續(xù)工作確保真空袋膜內(nèi)的空氣完全排出,此后在澆注過程中真空管路將會依照樹脂流動前鋒到達位置逐漸關閉。

圖10 典型VARTM工藝下的楔形樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測原理

(2)樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計。

基于LabVIEW開發(fā)了超聲監(jiān)測軟件,搭建了軟件框架,樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測軟件的基本模塊主要分為5 個部分：數(shù)據(jù)采集、信號實時顯示、信號處理、結(jié)果可視化和數(shù)據(jù)保存,模塊之間的具體關系如圖11所示。

圖11 軟件基本框架

圖12 為典型VARTM工藝下的楔形樹脂流動前鋒超聲檢測軟件。通過圖12a 界面進行參數(shù)設置,其中很大一部分設置是為了發(fā)揮超聲波硬件采集卡的性能以及滿足信號預處理的需求。比如頻率設置中有采樣頻率、低通濾波、高通濾波和濾波頻率的設置,濾波頻率是為了獲取信號相關頻域范圍內(nèi)較為關心的頻段。從圖12b 的布局可以看出,中間為64通道信號指示燈,用于顯示對應通道的超聲感應區(qū)域流動前鋒是否到達,右側(cè)將實時顯示樹脂流動前鋒相對高度的三維曲面圖。

圖12 典型VARTM工藝下的楔形樹脂流動前鋒超聲檢測軟件

4.3 樹脂流動前鋒超聲監(jiān)測系統(tǒng)實驗結(jié)果

圖13 為樹脂浸潤過程中對樹脂流動前鋒的實時監(jiān)測。當樹脂流動前鋒達到超聲傳感器的聲場特定范圍后聲波信號出現(xiàn)變化,軟件界面立即得到反應。由圖13 可見,當監(jiān)測到樹脂前鋒時,右側(cè)反射法樹脂流動前鋒曲面圖呈現(xiàn)為平板狀態(tài),穿透法樹脂流動前鋒曲面圖呈現(xiàn)規(guī)則凸起狀態(tài)。

圖13 樹脂流動前鋒在線監(jiān)測過程

本實驗通過對玻璃纖維復合材料液體成型過程的監(jiān)測實驗,驗證了該多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)樹脂流動前鋒到達位置監(jiān)測的可行性。

5 結(jié)論

通過對壓電晶片超聲信號的分析,建立超聲信號特征與樹脂流動前鋒有關特征參數(shù)的關系,在此基礎上開發(fā)纖維預成型體中樹脂流動前鋒多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng)。確定壓電晶片主動傳感器的工業(yè)集成方案,基于LabVIEW 開發(fā)超聲監(jiān)測軟件,搭建了軟件框架,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、信號處理、信號顯示以及結(jié)果可視化等功能,其中信號處理分析功能包括時域分析、時頻分析和遞歸圖分析等。通過對玻璃纖維復合材料液體成型過程的監(jiān)測實驗,結(jié)果表明,當樹脂流動前鋒恰好到達覆蓋了超聲傳感器感應區(qū)域面積時,聲波信號出現(xiàn)變化,軟件界面立即得到反應。驗證了該多通道超聲監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)樹脂流動前鋒到達位置監(jiān)測的可行性。