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1、飞机复合材料构件的常用无损检测技术,机械工程论文内容摘要：无损检测作为一种不损伤材料和零部件使用性能的检测技术在飞机复合材料构件修理中具有重要意义。文章介绍了适用于飞机复合材料构件的无损检测技术，对其在飞机修理检测中应用的优势、适用范围以及原因进行讨论。结果表示清楚，结合实际检测的各种环境，检测方式在选择上遭到各种限制，所以将来的趋势是多种检测技术对复合材料构件损伤进行综合评判以及新技术的工程化应用。 本文关键词语：复合材料; 无损检测; 应用; Abstract：Nondestructive testing(NDT) as a nondestructive testing technique
2、 for the performance of materials and parts has important significance in the repair of aircraft composite components. This paper introduces the NDT technology for aircraft composite components, and discusses its application advantage, application scope and causes in aircraft repair and testing. The
3、 results show that the detection method is limited in the selection of various environments, so the future trend is to comprehensively evaluate the damage of composite components by a variety of detection technologies and the engineering application of new technologies. 引言 复合材料具有高强度、高模量重量比、耐高温、耐腐蚀、耐
4、磨损以及抗氧化等优良性能，并大量应用在飞机的外翼、安宁面、方向舵等主承力构造。在飞机高强度的训练以及飞行中，由于承载、承压和环境因素的影响，复合材料构件容易出现分层、脱粘、冲击损伤、开裂、积水等损伤，造成复合材料构件性能下降。无损检测作为一种不损伤材料和零部件使用性能的检测方式方法，在飞机复合材料构件检测中发挥了重要作用。 1 飞机复合材料构件损伤特点 飞机复合材料构件主要分为纤维加强型树脂层压构造和蒙皮-蜂窝芯构造，复合材料构件在制造和加工经过中由于纤维种类、固化工艺、钻孔加工等因素会产生分层、脱粘、夹杂、孔隙等各类原始缺陷。当飞机服役时，遭到载荷、振动、湿热酸碱等环境因素，导致纤维加强树脂
5、层压构造部件中原始缺陷的扩展以及新的分层、脱粘、撕裂等损伤的产生，蒙皮-蜂窝芯构造部件可以能出现原始缺陷的扩展，或者产生新的分层、脱粘、蜂窝芯积水、蜂窝芯压塌等问题。 2 飞机复合材料构件的常用无损检测技术 当前，飞机符合材料构件常见损伤主要是复合材料层压构造的分层损伤、蒙皮壁板与T字型加强筋条的脱粘损伤、T字型加强筋条分层损伤以及蒙皮-蜂窝构造的脱粘损伤、蜂窝芯压塌以及蜂窝芯积水等。现针对飞机复合材料构造损伤检测有效且常用的方式主要有超声波检测、超声相控阵成像检测、声阻抗检测、X射线检测。 2.1 常规超声检测技术 超声波检测技术是常规的无损检测技术之一。原理是超声波在材料内部能以一定的速度
6、和方向传播，超声波碰到声阻抗不同的异质界面就会发生声波反射，通过测量反射回波的时间、透射强度变化来判定损伤的类型、大小以及位置。在飞机复合材料构件的现场检测中，常使用脉冲反射法对复合材料构件进行检测，通过A型扫描显示的幅值、位置对复合材料构件损伤进行断定。超声波检测出复合材料中分层、脱粘等损伤。超声波检测的优势是穿透能力大，探伤灵敏度高，检测时可逐点覆盖检测面，设备简单便携。超声波检测技术常用于飞机外翼、水平安宁面、垂直安宁面、方向舵等大型复合材料构件的检测。超声检测也有局限性，一方面超声波的穿透性与材料种类相关，超声检测方式方法难以对所有类型复合材料进行检测。另一方面，超声检测结果并非特别直
7、观，对缺陷和损伤的判定需要有经历体验的操作人员。当前，便携式超声波检测仪在飞机复合材料构件检测中的应用最为广泛。 2.2 超声相控阵快速成像检测技术 超声相控阵成像检测是一种快速的检测方式。其原理是检测系统根据一定的规则和时间顺序激发一组探头晶片，通过调整晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、线轴的偏转角度及焦点位置等参数进而进行自动化电子扫查检测的形式。在飞机复合材料构件现场检测中，常用一种便携式手动超声相控阵快速成像检测系统，与常规相控阵不同的是，该超声相控阵检测系统的声束为不聚焦平行扫描，即超声相控阵探头各阵元均是垂直向下发射超声脉冲声束，当进行声束扫描时，没有声束的偏转与聚焦。超声相
8、控阵成像检测技术能够直观显示复合材料构件的构造和内部损伤，通常用于现场检测飞机外翼蒙皮壁板、垂直安宁面的分层和脱粘损伤。相比于常规超声波检测，超声相控阵像检测技术具有效率高、定位准的优势，尤其合适检测大型复合材料构件。 2.3 声阻检测技术 声阻法检测也称为机械阻抗分析法检测。它是通过测量构造件被测点的振动力阻抗的变化来确定能否存在异常构造。在实际工作中，使用声阻检测仪对复合材料构件检测，其原理是通过探头晶片发送一定频率的超声波，被测件作为振动负载，粘接良好区域的负载与脱粘区域的刚度不同，进而引起探头晶片幅度和相位的变化。声阻检测技术适用于检测复合材料的胶接构造，对蒙皮-蜂窝芯胶的脱粘损伤明显
9、的检测效果。其优点是探头与待测件之间不需要耦合剂，且接触面积小，对损伤区域定位准确。声阻检测技术主要用于检测含有蜂窝构造的垂直安宁面、雷达罩、整流罩等构件的脱粘损伤。 2.4 X射线检测技术 X射线照相检测技术是最直观的无损检测技术，当复合材料构件出现损伤时，穿透构件的X射线强度会发生变化，使射线胶片影响黑度发生变化。对于复合材料构件检测而言，X射线检测裂纹、分层并不敏感，但对蜂窝芯积水、压塌有很直观的检测效果。X射线常用于检测有蜂窝构造的垂直安宁面等构件。 3 飞机复合材料构件的其他检测技术及应用研究现在状况 除上述常用检测技术之外，还有一些无损检测方式方法仍处于研究阶段，要走向工程化应用，
10、还需要攻克更多技术难题，比方红外热成像检测技术、激光散斑检测技术。 红外热像是利用热成像仪测定被检测工件外表温度分布以热图的方式来具体表现出检测构造的检测方式方法。红外热像检测技术可用于检测复合材料的分层、冲击损伤、脱粘等缺陷。红外热像检测技术最突出的优势在于检测经过快，操作简单，能够获得时效性的信息，并且该技术在检测经过中不需要对测件外表进行预处理，也不受待测件外形的影响。但红外热像检测技术也有一些缺点，杨小林等人1对某新型战机机头雷达罩蜂窝夹芯构造件进行红外热成像检测，结果表示清楚这种检测方式方法能够得到复合材料构件损伤的位置、大小、及形状等信息，但是由于脉冲鼓励范围有限，无法对检测件进行
11、全面检测。刘颖韬等人2对某雷达进行维修前的现场脉冲热成像检测，结果表示清楚这种方式方法难以检测出埋深较深的缺陷，并且成像结果容易遭到导热影响，使得图像边界模糊。 激光散斑检测技术是利用计算机对物体变形前两个数字相关散斑场做相减运算，进而得到相关条纹图像，当有缺陷时，条纹发生畸变，构成 牛眼形图案 。该检测技术具有非接触、全面检测的优势，可检测出下料的分层、脱粘、夹杂等缺陷。相关研究表示清楚，激光散斑检测技术仍存在一定的局限性，使其难以应用于实际飞机修理检测当中。杨庆峰3等人使用LT1-6002S激光散斑检测系统对飞机铝蜂窝复合材料构造试块进行检测，结果发现，激光散斑检测技术对飞机铝蜂窝构造的缺
12、陷检测有一定的相对误差，对检测件的损伤程度与损伤类型的断定均会有影响，对于激光散斑的结果断定，需要结合声阻检测结果。王珏4等人对碳纤维复合材料层压构造进行激光错位散斑检测，结果发现对于埋深较大，尺寸较小的缺陷，检测较为困难。涂俊5等人对铝蜂窝构造进行激光错位散斑和超声C扫描检测结果比照，结果表示清楚激光错位散斑检测速度快，但影响检测结果的因素很多，且仅适用于近外表缺陷检测，检测灵敏度低。 4 分析讨论 通过适当的方式方法对飞机复合材料构件进行检测是发现缺陷和损伤的重要技术手段。适用于复合材料的无损检测技术很多，能够真正有效应工程化应用在飞机复合的材料构件检测的检测方式方法并不多，其主要原因来自
13、两方面，一是无损检测方式方法本身的局限性。无损检测方式方法均具有各自的优势和适用范围，在实际的检测中，单一的检测方式方法往往难以适应于检测出所有缺陷类型，所以对某一个复合材料构件，需要使用多种无损检测方式方法来对构件损伤进行评估。二是构件形状和检测环境的限制。一方面，飞机在内场修理时，复合材料构件在装机之前必须进行严格的检测，复合材料构造件大多为全封闭或者半封闭的中空构造，限制了检测设备的使用。另一方面，飞机在外场修理时，复合材料构件往往不便于分解和拆卸，这就要求必须对其进行原位检测，这些原因使得检测方式方法和检测方式在选择上具有局限性。 5 结束语 在飞机修理中，复合材料构件的无损检测结果是
14、确定复合材料构件损伤修复的关键环节。不同的检测方式方法都具有各自的不同的优点和局限性，在实际检测中，应该充分考虑复合材料构件的材料类型、构造特征、损伤类型、损伤区域等因素，结合多种检测方式方法对损伤进行判定。对于新的检测方式方法的应用，应积极探寻求索，以适应飞机修理时各种环境下的原位检测条件。 以下为参考文献 1杨小林，代永朝，等.红外热波技术在飞机复合材料损伤检测中的应用J.无损检测，2007,29(4):200-202. 2刘颖韬，郭广平，杨纲，等.脉冲热像法在航空复合材料构件无损检测J.航空材料学报，2020,32(2):72-76. 3杨庆峰，孙金立，胡丑，等.飞机蜂窝复合材料的典型缺陷检测J.无损检测，2022,41(12):45-48. 4纪瑞东，张旭刚，王珏.飞机复合材料构件的原位红外热成像检测J.无损检测，2021,38(1):13-16. 5涂俊，邬冠华，郭广平.铝蜂窝构造的错位散斑与超声C扫描无损检测方式方法比照研究J.硅谷，2021(7):109-110.