复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究.pdf

郝威，李明，徐莹,等.复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究J.机械科学与技术，2023，42（8）：1362-1365复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究郝威1，李明1，徐莹1，马志远2，王珏1，林莉2（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）摘要：实际检测中发现，复合材料蜂窝夹层结构中的芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷能够引起喷水超声穿透法 C 扫描检测中超声大幅度衰减。为了从理论上分析并验证蜂窝夹芯缺陷对穿透法超声传播的影响，本文采用 3D 有限元建模仿真方法，分别模拟了超声波在蜂窝壁完好、芯格塌陷、胞壁鼓泡这3 种模型中的传播方式，研究了不同缺陷种类的尺寸和数量对、超声透射波幅值的影响，讨论了复合材料蜂窝芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷引起零件检测中超声波大幅度衰减的原因，与实际超声 C 扫描检测结果具有较好的一致性。关键词：蜂窝夹层结构；超声检测；芯格塌陷；胞壁鼓泡；有限元模拟中图分类号：TG156文献标志码：ADOI：10.13433/ki.1003-8728.20220056文章编号：1003-8728（2023）08-1362-04Ultrasonic Testing Simulation Research of Honeycomb Core Defects inComposite Sandwich StructureHAOWei1，LIMing1，XUYing1，MAZhiyuan2，WANGJue1，LINLi2(1.ShenyangAircraftIndustry(group)Co.,Ltd.,Shenyang110034,China；2.NDT&ELaboratory,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)Abstract：Alargeultrasonicattenuationisfoundinwater-squirtingthrough-transmissionultrasonicC-scandetectionofcompositearamidpaperhoneycombsandwichstructure,whichiscausedbythedefectsofhoneycombcollapseandcellbubbling.3Dfiniteelement modeling simulation method is used to analyze and verify the influence of the honeycomb sandwich defects on theultrasonicpropagationinpenetratingmethod.Thepropagationmodesofultrasonicwaveintheintegrityhoneycomb,honeycombwithcollapseandcellbubblingdefectsaresimulated.Theinfluencesofthesizeandnumberofdifferentdefectsontheamplitudeofultrasonictransmissionwaveareanalyzed.Thecausesoftheultrasonicwaveattenuationarediscussed.TheresultsoffiniteelementsimulationareconsistentwiththoseoftheultrasonicCscantest.Keywords：honeycomb sandwich structure；ultrasonic testing；honeycomb collapse；honeycomb cell bubbling；finite elementsimulation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、夹收稿日期：2021-07-04作者简介：郝威（1986），高级工程师，博士，研究方向为理化与无损检测，2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.42No.8http:/ 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 3mm 的六边形蜂窝格构成，蜂窝高度为 15.3mm，格壁厚为 0.20mm；上、下蒙皮材料为树脂基碳纤维蒙皮，厚度分别为1.13mm 和 1.30mm；胶膜厚度为 0.15mm。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。2 mma)胞壁鼓泡缺陷 b)芯格压塌缺陷c)缺陷示意图鼓泡缺陷压塌缺陷图1碳纤维复合材料蜂窝夹层缺陷Fig.1Honeycombcoredefectsincarboncompositehoneycombsandwichstructure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.1Basicparametersofcompositehoneycombsandwichstructure部位密度/（gcm3）纵波声速/（ms1）弹性模量/GPa声阻抗/MRayl上蒙皮1.87319412.7185.973下蒙皮1.7826808.5144.675蜂窝0.822172.6191.774 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19mm，喷嘴直径为6mm，频率为1MHz。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 1020dB，芯格压塌的超声衰减量为 1226dB。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。a)胞壁鼓泡缺陷b)芯格压塌缺陷图2蜂窝夹层结构喷水穿透法 C-扫描图Fig.2Water-squirtingthrough-transmissionultrasonicC-scanimagesofhoneycombsandwichstructures 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 AutoCAD2010 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.3Modelofhoneycombsandwichstructurewithintacthoneycombcore第8期郝威，等:复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究1363http:/ 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 2mm 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 2mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm 的鼓泡缺陷，用来研究鼓泡缺陷大小对超声衰减的影响。a)b)c)图4蜂窝芯鼓泡的蜂窝夹层结构模型Fig.4Modelofhoneycombsandwichstructurewithlatticesbubblingdefectshoneycombcore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 0.15mm，内伸长度为 0.5mm，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 0.5mm、0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm 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 1.0MHz。0.150.100.10图5蜂窝芯塌陷的蜂窝夹层结构模型Fig.5Modelofhoneycombsandwichstructurewithlatticescollapsedefectshoneycombcore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g(t)=Aexp(tt0/2)2Q2sin(2ft)0 t t00其他（1）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 026.1dB，塌陷缺陷的透射波幅值衰减范围为 032.2dB。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 1020dB，塌陷缺陷零件的超声衰减量为 1226dB），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.2Effectoflatticesbubblingdefectsontransmissionamplitudechanges缺陷直径/mm缺陷数量/排透射波幅值分贝变化/dB完好002.011.82.022.52.0311.82.2316.12.4321.12.8326.1表 3 塌陷缺陷对透射幅值变化的影响Tab.3Effectoflatticescollapsedefectsontransmissionamplitudechanges缺陷内伸长度/mm 缺陷数量/个 透射波幅值分贝变化/dB完好000.511.00.546.50.5713.30.7714.01.0718.11.2723.61.6732.2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1364机械科学与技术第42卷http:/ 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。参考文献 沈建中,林俊明.现代复合材料的无损检测技术M.北京:国防工业出版社,2016.SHENJZ,LINJM.NondestructivetestingtechnologyofmoderncompositematerialsM.Beijing:NationalDefenseIndustryPress,2016.(inChinese)1窦明月,王显峰,张冬梅,等.Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析J.南京航空航天大学学报,2019,51（1）:69-74.DOUMY,WANGXF,ZHANGDM,etal.Bucklingand 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