复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究

郝威，李明，徐莹，马志远，王珏，林莉

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110034；2.大连理工大学 无损检测研究所，辽宁大连 116024）

复合材料蜂窝夹层结构是航空、航天、交通运输等领域重要的减重材料[1]，其中芳纶纸蜂窝由于其突出的力学性能稳定性、耐腐蚀性、阻燃性、耐环境性，在航空航天领域的应用最为广泛[2]。但蜂窝夹层构件由于其复杂的制备工艺及结构特点，很容易在制造和服役过程中形成缺陷，因此需要针对其进行100%无损检测。

蜂窝夹层结构常用超声法、射线法和红外热成像进行检测[3-4]。射线法对蜂窝芯格变形、芯格大幅度压塌缺陷较为敏感，但检测过程中需要充分考虑有效透照区，避免蜂窝芯格影响重叠影响缺陷识别[5-6]。红外热成像法仅能表征蜂窝分层、脱粘、夹杂缺陷及蜂窝孔格进水[7-8]。超声波法由于其穿透性强，操作简单，成本低，对面积型缺陷较为敏感，是一种检测复合材料蜂窝夹层结构缺陷的常用方法，但目前多用来针对蒙皮的分层或是界面脱粘缺陷进行研究[9-10]。实际检测中发现，蜂窝芯格塌陷和胞壁鼓泡等缺陷也会造成超声大幅度的衰减[10]，但目前尚无针对此类蜂窝芯格缺陷对超声衰减影响的理论研究。

为了研究不同缺陷对超声衰减的影响，可以采用制备试块和数值模拟两种方法。制备试块耗时费力且昂贵，更主要的是目前工程上制备的试块多为分层、夹杂及脱粘缺陷，其他类型的缺陷模拟试块较难制备[3]。因此，本文针对常用喷水超声穿透法C 扫描检测蜂窝夹层结构中遇到的芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷造成超声大幅度衰减的问题，采用3D 有限元建模仿真方法，开展了蜂窝芯格不同缺陷类型引起的透射声波幅值差异的分析，解释了实际超声C 扫描检测中遇到的大幅度衰减现象，为有效提高缺陷的辨识、定位定量分析提供理论指导。

1 检测对象及结果

1.1 检测对象

复合材料蜂窝夹层零件由上、下蒙皮和中间蜂窝芯组成，采用共固化工艺成型。蜂窝芯材料为对位芳纶纸蜂窝，由一系列边长为3 mm 的六边形蜂窝格构成，蜂窝高度为15.3 mm，格壁厚为0.20 mm；上、下蒙皮材料为树脂基碳纤维蒙皮，厚度分别为1.13 mm 和1.30 mm；胶膜厚度为0.15 mm。解剖发现实际生产中该类零件会分别产生芯格压塌和胞壁鼓泡缺陷（缺陷部位已用圆圈标注），如图1所示。

图1 碳纤维复合材料蜂窝夹层缺陷Fig.1 Honeycomb core defects in carbon composite honeycomb sandwich structure

采用阿基米德排水法测量蒙皮密度，采用超声反射法、透射法测量蒙皮与蜂窝壁的纵波声速，采用超声波水浸聚焦技术可计算得到蒙皮的弹性模量、声阻抗等声学参数。复合材料蜂窝夹层结构几何与声学参数如表1所示。

表1 复合材料蜂窝夹层结构基本参数Tab.1 Basic parameters of composite honeycomb sandwich structure

1.2 检测结果

喷水式脉冲穿透法C 扫描设备为英国超声波科学有限公司生产的CG8-1.5-2.9超声喷水C 扫描检测系统，超声换能器为Imasonic 的水浸平探头，晶片直径为19 mm，喷嘴直径为6 mm，频率为1 MHz。零件C 扫描检测结果如图2所示。胞壁鼓泡缺陷的超声衰减量为10～20 dB，芯格压塌的超声衰减量为12～26 dB。鼓泡缺陷的产生可能是芳纶纸破坏分离或储存固化参数不当[10]，压塌缺陷的产生可能是外力载荷下蜂窝芯子失稳失效[10-11]。

图2 蜂窝夹层结构喷水穿透法C-扫描图Fig.2 Water-squirting through-transmission ultrasonic C-scan images of honeycomb sandwich structures

2 数值模拟

2.1 模型设置

采用数值模拟技术辅助超声波检测可以对检测中发生的可疑信号进行识别判定，找出可疑信号的发生机理，也可以对可能出现的信号进行预演，提高检测效率[12-13]。用于本文数值模拟的蜂窝夹层结构模型采用Auto CAD2010构建。图3为无缺陷蜂窝夹层结构模型，模型由上、下蒙皮及7个蜂窝格构成，模型各部分厚度与零件相同，密度及声学性质见表1。

图3 蜂窝芯完好的蜂窝夹层结构模型Fig.3 Model of honeycomb sandwich structure with intact honeycomb core

图4为蜂窝芯存在鼓泡缺陷的蜂窝夹层结构模型，分别构建了1排、2排、3排直径为2 mm 的鼓泡缺陷，用来研究鼓泡缺陷个数对超声衰减的影响；另外分别构建了3排直径为2 mm、2.2 mm、2.5 mm、2.8 mm 的鼓泡缺陷，用来研究鼓泡缺陷大小对超声衰减的影响。

图4 蜂窝芯鼓泡的蜂窝夹层结构模型Fig.4 Model of honeycomb sandwich structure with lattices bubbling defects honeycomb core

图5为蜂窝芯存在塌陷缺陷的蜂窝夹层结构模型。分别构建1个、4个和7个蜂窝格塌陷的3种情况，塌陷半高为0.15 mm，内伸长度为0.5 mm，用来研究压塌缺陷个数对超声衰减的影响；另外分别构建了7个蜂窝全部压塌，塌陷内伸长度为0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.6 mm 的5种情况，用来研究塌陷程度对超声衰减的影响。用于模拟计算的激励声源中心频率为1.0 MHz。

图5 蜂窝芯塌陷的蜂窝夹层结构模型Fig.5 Model of honeycomb sandwich structure with lattices collapse defects honeycomb core

为了保证数值模拟收敛性，网格化尺寸和求解时间步长的设置严格满足有限元模拟计算的CFL标准[14]。为了保证数值计算的稳定性，入射声源设置为高斯正弦脉冲型声压函数，可表示为

式中：A为声源加载的幅值；t0为持续时间；f为主频；Q为带宽系数。

2.2 模拟结果与讨论

表2和表3分别给出了鼓泡缺陷模型、塌陷缺陷模型与无缺陷模型的透射波幅值对比结果。鼓泡缺陷的透射波幅值衰减范围为0～26.1 dB，塌陷缺陷的透射波幅值衰减范围为0～32.2 dB。随着鼓泡缺陷、塌陷缺陷数量的增加以及缺陷尺寸的增大，透射波的幅值随之明显降低。模拟结果包含实际检测中缺陷零件的超声衰减范围（鼓泡缺陷零件的超声衰减量为10～20 dB，塌陷缺陷零件的超声衰减量为12～26 dB），与实际检测结果具有较好的一致性，从理论上验证了芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷能够引起超声波大幅度衰减的现象。

表2 鼓泡缺陷对透射幅值变化的影响Tab.2 Effect of lattices bubbling defects on transmission amplitude changes

表3 塌陷缺陷对透射幅值变化的影响Tab.3 Effect of lattices collapse defects on transmission amplitude changes

图6分别给出了蜂窝夹层结构无缺陷、蜂窝芯塌陷缺陷模型和鼓泡缺陷模型的波场快照。超声波在蜂窝芯中传播会向四周蜂窝格扩散。相较于无缺陷模型，蜂窝芯塌陷模型的透射波幅值在塌陷声波入射侧出现高幅值，这是因为声波遇到塌陷被阻挡发生明显的反射和折射，而且透过塌陷的声波变弱。同样的，鼓泡缺陷模型的透射波幅值在鼓泡部位呈现高幅值，也是因为声波遇到鼓泡缺陷发生明显的反射和折射，使得透过的声波变弱。

图6 蜂窝夹层结构模型波场快照Fig.6 Wavefield snapshot of honeycomb sandwich structure model

分析超声波在蜂窝夹层结构中传播路径如下：超声波通过水传播到蒙皮，通过蒙皮进入蜂窝壁。由于超声波长（3 mm）远大于蜂窝壁厚（0.2 mm），超声波会在蜂窝壁以导波的形式将振动传递到下蒙皮[15]，进而被接收探头接收。当蜂窝芯存在鼓泡或压塌缺陷时，蜂窝壁发生弯折，使得超声波信号在缺陷位置发生明显的反射和折射，且缺陷尺寸越大、数量越多，透过缺陷的声波越弱，接收探头几乎收不到超声信号，与周边优区信号形成明显差异。

3 结论

1）穿透法超声对蜂窝鼓泡缺陷和压塌缺陷的检测灵敏度较高，两类缺陷均可造成超声透射幅值大幅度衰减。仿真模拟结果与实际检测结果接近；

2）缺陷大小、个数与超声衰减量成正相关，压塌幅度越大、鼓泡节点分离越大、衰减幅度越大；

3）造成透射幅值大幅度衰减的原因，可能是由于超声波在蜂窝壁中以导波的形式传播，在缺陷位置会发生明显的反射和折射。