疲劳试验中二次共固化结构相控阵检测

何潇　王丹　宁宁

摘  要：文章针对全机疲劳试验中二次共固化蒙皮的结构特点，对二次共固化结构蒙皮可能出现的损伤类型进行了分析并制作了标准试样，并通过相控阵对二次共固化蒙皮结构预制缺陷进行超声信号分析并在疲劳试验中进行了验证，形成了疲劳试验中二次共固化蒙皮结构缺陷的超声相控阵判别依据。

关键词：复合材料;二次共固化结构蒙皮;超声相控阵检测

中图分类号：V216.3        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）29-0023-03

Abstract：  In this paper， according to the structural characteristics of the secondary co-cured skin in the whole machine fatigue test， the possible damage types of the secondary co-cured skin are analyzed and the standard samples are made. The ultrasonic signal of the prefabricated defects of the secondary co-cured skin structure is analyzed by the phased array and verified in the fatigue test， which forms the ultrasonic phased array discrimination basis of the secondary co-cured skin structure defects in the fatigue test.

Keywords： composite material; secondary co-cured skin structure; ultrasonic phased array detection

引言

碳纤维复合材料由于其轻质、高比模量、高比强度、耐腐蚀等优点，在军机结构中得到了越来越多的应用，复合材料整体成型技术可以大幅度减少复杂大型结构的组装和紧固件的数量，提高生产效率，是实现复合材料轻质，高效，低成本的重要途径。二次共固化工艺是整体成型技术中非常重要的一种，该技术是指把一个或多个已经固化而另一个或多个未固化复合材料零件通过胶黏剂（一般为胶膜） 在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法。在航空复合材料结构制造中，蒙皮与筋条共胶接整体成型技术被广泛采用，例如复合材料整体机翼、机翼盒段等。但如果成型过程工艺控制不当，也会造成分层、脱粘等缺陷，会严重影响试验件的成型质量和性能。

全机疲劳试验中的损伤检测是获得飞机结构损伤形成和损伤扩展规律的重要手段，贯穿了试验的整个过程，是试验质量控制不可或缺的基础技术，损伤检测的目的是及時、可靠地发现飞机结构出现的损伤，复合材料为结构维修和下一阶段试验方案的制定和调整提供依据：保证损伤受控，避免结构发生非预期的破坏。二次共固化蒙皮结构型筋结构在疲劳试验中也存在随着试验的进行而产生分层，脱粘等损伤，这些损伤是否能及时有效的检测出和如何进行评判就成了问题的出处。

本文中主要使用超声相控阵方法作为二次共固化蒙皮结构的检测方法，通过对含有预制缺陷的二次共固化的标准试块的检测，得到二次共固化蒙皮结构损伤波形特征，建立损伤的判断标准。

1 超声相控阵检测技术

传统的超声检测技术声束单一，其仅依靠移动探头实现全覆盖扫查。超声相控阵检测技术是在传统超声技术基础上发展起来的一种多声束扫描成像技术，采用的超声检测探头通常是由几十到上百个晶片组成的换能器阵列，声束覆盖范围很大，所以相较传统探头，相控阵探头在不移动或尽量少移动的情况下就能全覆盖单晶片探头扫查区域，因此其检测效率远远高于常规的单通道超声检测设备。

本文中使用的超声相控阵检测设备是英国SONATEST集团开发的 RapidScan2型快速超声C扫描系统，用5MHz、128晶片的轮式相控阵探头，软件界面可同时输出 A，B，C显示。该检测系统采用轮式相控阵探头，该探头线性阵元一次扫查范围大，适合大面积航空复合材料结构的原位快速检测，并且具有高精度、高清晰图像分辨率及大频宽等特性，能有效检出航空复合材料构件中的分层、脱粘及冲击损伤等缺陷。

2 二次共固化蒙皮结构的超声检测

2.1 二次共固化蒙皮结构

全机疲劳试验中试件的二次共固化蒙皮结构如图2所示，成型工艺为先分别固化筋条层层压板蒙皮，然后筋条与蒙皮一起共固化，二次共固化时蒙皮与筋条间加J-299胶膜，填充区为单向带填充。

蒙皮+筋条材料：ZT7H/QY9611 胶膜材料：J-299胶膜

蒙皮铺层形式如下：

[45/0/-45/90/45/0/-45/0/45/90/-45/0/45/0/-45/90/-45/0/45/-45/45/90/45/0/45/0/-45/90/45/0/45/0/-45/90/45/0/45/0/45/-45/90/-45/90/-45/0/45/0]s

2.2 二次共固化蒙皮结构超声信号分析

2.2.1 二次共固化蒙皮结构试样

无损检测是基于信号比对的一种测试方法，对比试块是无损检测过程中确定检测基准的标准物质，它对检测参数的确定、检测灵敏度的调整、检测结果的评判等都起着至关重要的作用。

以与疲劳试验中同材料同工艺二次共固化蒙皮标准试样为检测对象，标准试样中含有人工预制缺陷，缺陷形式为分层和脱粘，标准试块设计如图4所示，其中A-G为预制缺陷，材料为聚四氟乙烯膜，薄膜厚度为0.15mm，H位置为完好区域，其中A-C位置模拟上蒙皮不同深度分层缺陷，D处模拟上蒙皮与立筋脱粘缺陷，E位置模拟上蒙皮与下蒙皮脱粘缺陷，F、G位置模拟下蒙皮不同深度的分层缺陷，H位置为完好结构。

2.2.2 超声检测结果分析

对标准试样使用相控阵进行检测，二次共固化工艺下当超声探头在A位置-H位置时会产生不同的超声回波信号，这就形成了二次共固化的超声相控阵波形图谱，A位置-H位置的超声相控阵波形如下，首先H位置为完好结构的超声回波图5所示。

A位置-C位置预制缺陷分别模拟了二次共固化上蒙皮的不同深度的分层缺陷，其中A位置预制的分层缺陷位于二次共固化上蒙皮的近表面层，超声信号在A缺陷处发生了反射，并未穿透A位置缺陷，回波信号特征如图6（a）所示，B位置预制的分层缺陷位于二次共固化上蒙皮的中间层，超声信号在B位置缺陷发生了反射，并未穿透B位置缺陷，回波信号特征如图6（b）所示，C位置预制的分层缺陷位于二次共固化上蒙皮的下部层，超声信号在C位置缺陷发生了反射，并未穿透C位置缺陷，回波信号特征如图6（c）。

D位置预制缺陷模拟了二次共固化上蒙皮和立筋的脱粘缺陷缺陷，E位置预制缺陷模拟了二次共固化上蒙皮和下蒙皮的脱粘缺陷，超声信号分别在D位置和E位置的缺陷处发生了反射，并未穿透D位置和E位置的缺陷，D位置缺陷回波信号如图7（a）所示，E位置缺陷回波信号如图7（b）所示。

F位置和G位置预制缺陷分别模拟了二次共固化下蒙皮中不同深度的分层缺陷，其中F位置预制的分层缺陷位于二次共固化下蒙皮接近蒙皮底面，G位置预制分层缺陷位于二次共固化下蒙皮的上部，接近二次共固化界面，超声信号传播过程中会在二次共固化界面发生穿透和反射，超声信号进入下蒙皮后会在F位置缺陷和G位置缺陷处发生发射，F位置缺陷形成的超声信号如图8（a）所示，G位置缺陷形成的超声信号如图8（b）所示。

3 超声相控阵检测验证

以含缺陷的标准试样作为基准，调节超声相控阵的检测参数，对疲劳试验中的二次共固化蒙皮结构上的已知位置冲击损伤进行了C扫描检测，对二次共固化蒙皮完好区域进行了A超检测验证，超声相控阵C扫描部位照片如图9所示，采用标准试块调节的超声相控阵C扫描设备，将冲击损伤-1，冲击损伤-2均有效检测出。

为了进一步验证二次共固化蒙皮结构的超声信号分析结果，采用A超对疲劳试验中的二次共固化完好结构进行了实采，采样A超波形如图10中所示，图中的完好结构的A超波形与图5中H位置的超声信号分析结果相一致。

4 结论

（1）本文中介绍了疲劳试验中二次共固化蒙皮的结构特点，制作了含有缺陷的标准试样，通过对标准试样中不同位置预制缺陷超声信号分析，得到了不同缺陷超声信号回波图谱。（2）通过标准试样调节超声相控阵设备参数，对疲劳试验中的二次共固化蒙皮结构的冲击损伤进行了检测，有效的检测出了冲击损伤。（3）通过A超对疲劳试验中的二次共固化結构完好区域进行信号采样，得到的A超声实测结果与标准试样中完好区域的超声信号分析结果相一致，进一步说明二次共固化蒙皮结构缺陷超声回波信号图谱，可以对疲劳试验中的二次共固化结构缺陷定性提供参考。

参考文献：

[1]王毅，冯宪章，李磊，等.复合材料层合板二次共固化补强胶层失效分析研究[J].机械强度，2012，34（06）：862-867.