郝威，李明，徐瑩，馬志遠(yuǎn)，王玨，林莉

（1.沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）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(yùn)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(diǎn)，很容易在制造和服役過程中形成缺陷，因此需要針對其進(jìn)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(jìn)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(jìn)水[7-8]。超聲波法由于其穿透性強(qiáng)，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(jìn)行研究[9-10]。實(shí)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(fèi)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(shí)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(shí)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(biāo)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(dāng)[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(jìn)行識別判定，找出可疑信號的發(fā)生機(jī)理，也可以對可能出現(xiàn)的信號進(jìn)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(yán)格滿足有限元模擬計算的CFL標(biāo)準(zhǔn)[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(shí)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(shí)際檢測結(jié)果具有較好的一致性，從理論上驗(yàn)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(kuò)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?yàn)槁暡ㄓ龅剿荼蛔钃醢l(fā)生明顯的反射和折射，而且透過塌陷的聲波變?nèi)?。同樣的，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?yàn)槁暡ㄓ龅焦呐萑毕莅l(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(jìn)入蜂窩壁。由于超聲波長（3 mm）遠(yuǎn)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(jìn)而被接收探頭接收。當(dāng)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(shí)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(diǎn)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。