航空航天复合材料结构非接触无损检测技术的进展及发展趋势

新型复合材料在航空航天领域获得广泛应用,有些甚至已代替金属成为某些核心部件的主要结构材料,此类材料及其构件在结构、材料特性、所需检测条件等方面的特殊性对无损检测技术提出更苛刻、更有针对性的检测需求,如不能使用耦合剂、高效率、高可靠性、实时、直观、绿色环保等,非接触无损检测技术被认为是满足上述检测需求的重要手段,已有多种非接触检测技术为航空航天制造及维护提供服务。本文结合航空航天工业的发展趋势及该领域对新型复合材料的检测需求,就目前国内外研究较热且具有较大应用潜力的多种非接触无损检测技术(包括空气耦合超声检测技术、红外热像技术、激光超声检测技术、散斑干涉技术)进行综述,总结各方法所具有的技术特点、研究进展与应用情况。最后,综合各技术研究现状展望非接触无损检测技术的发展趋势,为此类技术在相关领域的研究与应用提供一定的参考和借鉴。     

RTM/纺织复合材料孔隙率非线性超声方法研究

由于RTM/纺织复合材料在物理性能上呈现显著的各向异性,给材料的缺陷检测和评价带来困难,提出了一种用于RTM/纺织复合材料孔隙率的非线性超声检测方法.从非线性理论出发,运用非线性超声的二次谐波非线性系数进行RTM/纺织复合材料孔隙率检测.分析结果表明,二次谐波非线性系数的改变与试块的孔隙率之间存在着良好的线性关系,有助于建立RTM/纺织复合材料孔隙率的超声检测模型.     

C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在加工精度差、加工效率低等问题,提出了钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削的方法。首先,在铣削加工中引入高速超声振动切削理念,使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行超声频断续切削,可改善加工质量且突破了超声振动加工对临界速度的限制。然后,分析了该方法的分离原理,采用独立研制的超声椭圆振动铣削刀柄装置针对钛合金薄壁件进行了切削试验。试验结果显示,高速超声椭圆振动铣削相较于普通铣削,切削力降低20%~30%,且已加工表面让刀量降幅20%~30%,表面缺陷减少,表面粗糙度降低。      

CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制 机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。      

CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）在普通套磨钻孔（CCD）过程中,切屑粉尘粘刀和料芯堵刀导致的排屑效果较差而影响套磨加工效率和加工质量的问题,采用超声振动套磨钻孔（UVCD）新技术进行了CFRP高效套磨钻孔的基础理论和实验研究。从理论上分析了CFRP超声振动套磨钻孔原理和高效排屑机理,同时结合所设计的超声振动气钻和车床平台实验验证了CFRP超声振动套磨钻孔的高效排屑钻孔效果。结果表明:相比于CFRP普通套磨钻孔,超声振动套磨钻孔极大提高了切屑粉尘和料芯的排屑效果,有效防止了切屑粉尘粘刀和料芯堵刀现象,明显降低了12%~20%的钻削力、16%~24%的切削温度和33%~39%的孔表面粗糙度,明显改善了CFRP孔加工质量并且延长了套磨刀具使用寿命。      

基于LED光源的运动式太阳模拟器控制系统

为了解决编码式太阳敏感器装星后现场的功能测试,研制了一种基于LED光源的运动式太阳模拟器,为该测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号.基于太阳模拟器组成与工作原理,对光源辐亮度和矢量运动的控制系统进行研究.根据太阳光信号要求,通过光源选取与功率计算确定LED型号和个数,并采用压控恒流源驱动技术对光源辐亮度进行线性调节.根据太阳光矢量信号要求,通过负载扭矩与功率计算选取GUS-60型超声电机,采用16位绝对式编码器对运动角度进行测量,以数字信号处理器为主要器件对电机进行闭环反馈控制.测试结果表明,光源控制系统能够实现辐亮度在0～527.4W·m-2内线性可调,矢量运动装置在-15°～40°内的运动角度控制精度优于±0.01°,满足编码式太阳敏感器的测试要求.      

复合材料构件R区的超声相控阵检测实验

针对复合材料构件R区的超声检测问题,开展超声相控阵检测实验研究.分析R区的检测难点,利用超声相控阵检测技术的优势,分别提出了基于相控阵弧阵换能器和线阵换能器的两种检测方法;对复合材料L型试样的R区进行超声相控阵检测实验,验证了两种检测方法的正确性;并与常规超声检测方法进行对比,分析了超声相控阵技术检测R区的技术优势.研究结果表明:超声相控阵检测技术具有适用性强、检测效率高等优势,可以满足复合材料构件R区的检测要求.