无损检测方法(NDT)在航空领域复合结构中的应用

飞机结构上越来越多地采用复合材料。主要的复合材料类型有碳纤维复合材料(CFRP),玻璃纤维复合材料(GFRP)和金属-铝复合层压板。典型碳纤维复合材料零件有CFRP制成的襟翼-Flap,垂直尾翼-VTP和水平尾翼-HTP,中央翼盒-central box,后压力舱壁-rear pressure bulkhead,肋骨-rib和桁条-stringer。现代民用飞机中复合材料的重量百分比越来越多,例如A350的结构中复合材料用量约为53%,其机身和机翼等主要结构部件也由复合材料组成。这些复合零件在生产和维护期间都需要做适当的无损检测(Non-Destructive Testing-NDT)。

NDT主要检测的缺陷类型是:

  • 分层-delamination
  • 脱胶-debonding
  • 气孔-porosity
  • 异物夹杂-foreign bodies

飞机复合材料结构主要采用的无损检测方法是超声波测试,利用单阵元探头和线阵探头在脉冲回波和透射模式下进行手动和自动超声测试。另外还用到了例如,共振方法、错位散斑干涉、热成像以及其他特殊测试方法。

1  超声波检测- Ultrasonic Testing

超声检测技术是工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时,一部分声波会产生反射,接收器可以对反射波进行分析,精确地测出缺陷来,并且能显示出内部缺陷的位置和大小,以及材料的厚度等。

根据缺陷的显示方式及显示内容分类,又可分为A、B、C(D)三种类型,又称为A扫描超声、B扫描超声、C扫描超声。其中以A型显示最为广泛,B型和C型显示是在A型显示的基础上进行的。

1.1  A扫描原理

1.2  B扫描原理

截面扫描

1.3  C扫描原理

1.4  D扫描原理

D扫描经过修改的C扫描,显示了幅度。

2  手动和自动超声波检测

超声波检测(Ultrasonic Testing)原理是利用超声波发出的波遇到缺陷(例如空隙)时其返回波的图像来检测缺陷深度和位置。

手动超声测试仍然是中小尺寸复合零件的最常用方法。检查人员使用A扫描(A Scan)探伤,缺陷尺寸通过手动扫描缺陷附近的最大回声探明。

近年,线性超声相控阵(Phased Array-PA)检测系统得到应用用于飞机检查。PA检查的示例粘结的飞机蒙皮(skin)和桁条(stringer)如下图所示。各种反射面和界面的信号可以在B扫描中清晰地识别出来(图的右侧)。

B扫描结果

大型CFRP零件可通过设备自动或半自动检查。

D-扫描结果

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