復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化自動(dòng)化無損檢測技術(shù)
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發(fā)展先進(jìn)的制造工程技術(shù)，提升設(shè)備數(shù)字化、自動(dòng)化制造能力，是合理解決現(xiàn)代化航空武器裝備快速研制和生產(chǎn)的重要發(fā)展方向和工程途徑。特別是以數(shù)字化、自動(dòng)化為重要特征的快速敏捷制造技術(shù)已成為先進(jìn)航空武器裝備研制和生產(chǎn)中的重要工程技術(shù)方向。而數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)是數(shù)字化、自動(dòng)化制造和先進(jìn)航空制造裝備的重要組成部分。隨著復(fù)合材料等新材料的不斷應(yīng)用，數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)的發(fā)展和成功應(yīng)用已成為飛機(jī)設(shè)計(jì)和數(shù)字化、自動(dòng)化制造過程的關(guān)鍵技術(shù)，特別是在新材料與新工藝研究、新結(jié)構(gòu)與新機(jī)研制的過程中，數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。
復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用與數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測
近年來復(fù)合材料的裝機(jī)應(yīng)用水平已成為現(xiàn)代航空裝備先進(jìn)性的標(biāo)志，Joseph F Rakow 預(yù)測，在未來10年里，下一代飛機(jī)是復(fù)合材料的飛機(jī)，復(fù)合材料從過去非承力結(jié)構(gòu)正不斷被用于主承力結(jié)構(gòu)。10年前，Boeing777復(fù)合材料用量為結(jié)構(gòu)重量的10%左右，而Boeing787復(fù)合材料用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的50%左右。除了Boeing787，Airbus380復(fù)合材料用量也達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的25%左右，與 Boeing787復(fù)合材料機(jī)身相比，Airbus380一個(gè)驚人之舉就是設(shè)計(jì)了全復(fù)合材料中央翼盒。復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用態(tài)勢絲毫不遜于民機(jī)，例如F/A-18C/D復(fù)合材料用量高于20%，而據(jù)Joseph F Rakow報(bào)道，F(xiàn)-22復(fù)合材料用量則猛增至60%左右。復(fù)合材料應(yīng)用結(jié)構(gòu)也由早先非承力的簡單結(jié)構(gòu)發(fā)展到承力結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代飛機(jī)中具有舉足輕重的作用。
（1）復(fù)合材料制造工藝優(yōu)化與成本的控制離不開數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的材料和制造成本居高不下，結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)件形狀越來越復(fù)雜，需要采用先進(jìn)可靠的數(shù)字化、自動(dòng)化復(fù)合材料無損檢測技術(shù)，及時(shí)為復(fù)合材料工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)件制造提供反饋信息，幫助穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品的合格率。由于復(fù)合材料無損檢測貫穿于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型、裝配、試驗(yàn)、維護(hù)/ 維修、使用全過程，因此，復(fù)合材料無損檢測成本和效率直接影響復(fù)合材料的總成本，而降低檢測成本的一個(gè)有效技術(shù)途徑是發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)，提高檢測效率。
（2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)與檢測需要采用數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常需要進(jìn)行100％覆蓋檢測。隨著復(fù)合材料大量裝機(jī)應(yīng)用和飛機(jī)批量生產(chǎn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測的量急劇增加，檢測的耗時(shí)、效率和進(jìn)度等直接影響飛機(jī)的研制和生產(chǎn)全過程。以F -22復(fù)合材料進(jìn)氣道無損檢測試驗(yàn)為例，采用超聲檢測技術(shù)，約需24h / 件。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸越大，檢測耗時(shí)越多；結(jié)構(gòu)形狀越復(fù)雜，檢測效率會(huì)明顯降低，檢測耗時(shí)也會(huì)更多。因此，如此大的檢測工作量，僅靠傳統(tǒng)的手工檢測，顯然難以滿足要求。
（3）復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用需要采用數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
目前復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)由早先非承力的簡單結(jié)構(gòu)發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu)甚至承力結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的要求更高：不僅需要進(jìn)行無損檢測，更需要得到復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量和缺陷的量化信息；不僅要求檢出缺陷，還需要建立復(fù)合材料缺陷與結(jié)構(gòu)性能的有機(jī)聯(lián)系，建立相應(yīng)缺陷評估準(zhǔn)則；不僅需要能檢出分層、疏松等一些影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的宏觀缺陷，還需要檢出可能影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的微觀或分布型缺陷。這就需要采用數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)來滿足這些要求。
（4）飛機(jī)長壽命設(shè)計(jì)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠性需要采用數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
現(xiàn)代飛機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)特點(diǎn)就是要求長壽命，而隨著復(fù)合材料在機(jī)身、機(jī)翼等重要部位的設(shè)計(jì)應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體上沒有中間材料加工過程，一旦固化過程完成，就意味著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能固定，除非在制造過程中出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量問題，如其內(nèi)部產(chǎn)生了缺陷。當(dāng)那些設(shè)計(jì)上不允許存在的缺陷隨復(fù)合材料結(jié)構(gòu)帶到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中時(shí)，將會(huì)影響整機(jī)的安全服役和使用壽命。因此，必須通過先進(jìn)可靠的無損檢測技術(shù)確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和質(zhì)量。顯然，僅靠傳統(tǒng)的手工檢測不能滿足要求，一個(gè)有效的技術(shù)途徑就是采用數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
復(fù)合材料數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀
復(fù)合材料數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)是近年來隨著復(fù)合材料不斷擴(kuò)大裝機(jī)應(yīng)用規(guī)模和現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)提出來的。針對不同的檢測環(huán)境、工序階段、結(jié)構(gòu)形狀等，目前復(fù)合材料數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測在技術(shù)上分為兩大方向：一是基于儀器的復(fù)合材料數(shù)字化檢測技術(shù)；二是基于設(shè)備的復(fù)合材料數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。
基于儀器的復(fù)合材料數(shù)字化檢測技術(shù)主要用于解決一些難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測的應(yīng)用場合和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測，如復(fù)合材料修理過程中的無損檢測、復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的檢測。主要是通過對檢測儀器的數(shù)字化，來提高對檢測信號(hào)的數(shù)字化處理能力和缺陷量化分析能力，實(shí)現(xiàn)一些諸如檢測參數(shù)、典型檢測信號(hào)的記錄存儲(chǔ)等。目前主要是以超聲檢測儀器技術(shù)為主，多采用超聲反射法檢測。值得指出的是，目前市場上的數(shù)字化超聲檢測儀器和缺陷評估方法大多是針對金屬材料設(shè)計(jì)開發(fā)的。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)和缺陷特征，通常需要開發(fā)專門的數(shù)字化檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)高保真數(shù)字化處理，提高檢測分辨率，減少檢測盲區(qū)，進(jìn)行缺陷的量化評估。就樹脂基復(fù)合材料而言，目前主要是采用超聲數(shù)字化無損檢測技術(shù)，它包括超聲換能器技術(shù)、超聲技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、缺陷評估技術(shù)和儀器技術(shù)。從20世紀(jì)80年代初，北京航空制造工程研究所就開展了復(fù)合材料數(shù)字化無損檢測技術(shù)的研究，成功研究了高分辨率超聲換能器、復(fù)合材料RF超聲檢測方法、缺陷識(shí)別與評估方法、復(fù)合材料高分辨率超聲檢測系列儀器等，一直是國內(nèi)復(fù)合材料無損檢測的支柱技術(shù)和主要手段，在航空、航天、兵器、交通、空軍等部門的科研和生產(chǎn)第一線發(fā)揮了關(guān)鍵作用，特別是研究建立的高分辨率超聲換能器技術(shù)和缺陷評估技術(shù)，至今在國際上具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)。
基于這些復(fù)合材料數(shù)字化超聲檢測儀器和缺陷評估技術(shù)，可以對復(fù)合材料中的缺陷及其位置（深度）、面積、性質(zhì)、類型等進(jìn)行量化評估。采用北京航空制造工程研究所生產(chǎn)的多功能復(fù)合材料高分辨率超聲檢測儀器（MUT -1）和已建立的復(fù)合材料孔隙率超聲數(shù)字化評估技術(shù)，可以對典型復(fù)合材料孔隙含量進(jìn)行超聲量化評估，從結(jié)果中可以看出孔隙在復(fù)合材料中不同位置的分布情況。
隨著復(fù)合材料批量裝機(jī)應(yīng)用和批量生產(chǎn)，基于設(shè)備的復(fù)合材料數(shù)字化、自動(dòng)化檢測技術(shù)近年來發(fā)展迅速，目前NASA、Boeing、LockheedMartin、Airbus 等在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造和生產(chǎn)過程中，都在大力發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測技術(shù)。目前主要基于超聲方法，在檢測信號(hào)數(shù)字化處理基礎(chǔ)上，針對不同復(fù)合材料構(gòu)件，利用掃查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)，通過專門的技術(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)備研發(fā)，解決復(fù)合材料構(gòu)件的超聲數(shù)字化、自動(dòng)化無損檢測。目前基于設(shè)備的復(fù)合材料超聲數(shù)字化、自動(dòng)化檢測技術(shù)主要包括超聲換能器技術(shù)、超聲技術(shù)、掃描技術(shù)、控制技術(shù)和缺陷評估技術(shù)，可分為超聲穿透法和超聲反射法兩大類。
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