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。

現(xiàn)代先進(jìn)航空武器裝備發(fā)展的明顯特點(diǎn)是性能好、功能強(qiáng)、小批量、多品種、技術(shù)含量高、制造成本也高，其設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈依賴于新材料新工藝的研發(fā)水平、制造技術(shù)和制造設(shè)備能力。為了提升戰(zhàn)場和市場競爭力，通常航空武器裝備必須在質(zhì)量（高）、效率（高）、壽命（長）、成本（低）等方面具有綜合優(yōu)勢。而質(zhì)量、效率、壽命、成本的完美結(jié)合，需要通過先進(jìn)的制造工藝和裝備技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)的無損檢測技術(shù)及其檢測裝備則是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想和制造理念，增強(qiáng)用戶信心，提高競爭力的重要保障。 本文來自123

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、自動化無損檢測技術(shù)是數(shù)字化、自動化制造和先進(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，檢測效率會明顯降低，檢測耗時(shí)也會更多。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、自動化無損檢測技術(shù)。 copyright 123456

復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀

復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(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)、典型檢測信號的記錄存儲等。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)。

123,123

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、自動化無損檢測技術(shù)。目前主要基于超聲方法，在檢測信號數(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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（1）基于超聲穿透法的復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)。

利用入射聲波在穿過復(fù)合材料時(shí)能量的衰減變化進(jìn)行缺陷識別與檢測，西方比較青睞這種檢測方法，超聲換能器分別安裝在2個(gè)對稱的多軸掃描機(jī)構(gòu)上，在數(shù)控系統(tǒng)作用下，通過運(yùn)動編程控制，使2個(gè)探頭對被檢測復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行自動掃描檢測。采用穿透法檢測時(shí)，對超聲換能器和儀器的分辨率和檢測盲區(qū)要求相對較低，但需要有很好的同步與掃描控制技術(shù)。

與超聲反射法相比，其主要技術(shù)特點(diǎn)還有：

·超聲換能器需要從兩側(cè)接近工件；
·超聲換能器同步控制和型面跟蹤復(fù)雜；
·對于復(fù)雜的零件，通常只能采用單通道工作；
·檢測效率不高；
·技術(shù)成本高。

（2）基于超聲反射法的復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)。

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利用入射聲波在復(fù)合材料中傳播產(chǎn)生的反射信息進(jìn)行缺陷識別與評估，歐洲比較青睞這種檢測方法，超聲換能器安裝在一多軸掃描機(jī)構(gòu)上，通過運(yùn)動編程，換能器在數(shù)控系統(tǒng)作用下，對被檢測復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行自動掃描檢測。通常復(fù)合材料單個(gè)鋪層厚度約0.13m m，因此采用反射法檢測時(shí)對超聲換能器和儀器的分辨率和檢測盲區(qū)要求較高，但不需要有同步掃描機(jī)構(gòu)，檢測靈敏度比穿透法高。與超聲穿透法相比，其主要技術(shù)特點(diǎn)還有：

·超聲換能器只需要從一側(cè)接近被檢測工件；
·超聲換能器型面跟蹤要求高；
·可實(shí)現(xiàn)多通道檢測；
·檢測效率高；
·技術(shù)成本較低。

不論采用哪種數(shù)字化、自動化超聲檢測方法，都需要有很好的型面跟蹤技術(shù)、信號處理技術(shù)和超聲系統(tǒng)綜合技術(shù)。特別是針對大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，目前國際上采用的掃描方法主要有3種：示教、基于零件的CAD模型和測量仿形。但實(shí)際檢測應(yīng)用情況都不理想：示教和仿形的方法效率太低，被檢測零件的CAD模型到了復(fù)合材料檢測工序，已經(jīng)不適用。所以，尋找新的快速適用的掃描方法是解決復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化、自動化檢測的當(dāng)務(wù)之急。近年來北京航空制造工程研究所一直在開展這方面的新技術(shù)研究，正在研究一種基于被檢測復(fù)合材料零件自由型面的跟蹤掃描技術(shù)，以解決7500mm×6000mm以上大型復(fù)合材料構(gòu)件的超聲數(shù)字化、自動化高效無損檢測，目前已完成技術(shù)方案試驗(yàn)，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造階段。 內(nèi)容來自123456

北京航空制造工程研究所是國內(nèi)最早從事復(fù)合材料無損檢測的專業(yè)研究所，早在20世紀(jì)70年末80年代初，就開始了復(fù)合材料無損檢測技術(shù)研究，針對復(fù)合材料特點(diǎn)，先后提出并成功研究了高分辨率RF超聲檢測技術(shù)、缺陷識別方法、檢測儀器、微盲區(qū)換能器、缺陷成像方法、自動掃描成像檢測設(shè)備等，形成了獨(dú)特的復(fù)合材料檢測技術(shù)體系，一直在國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮主要作用。如研制了FJ系列高分辨率無盲區(qū)超聲換能器、復(fù)合材料系列超聲檢測儀器、CUS-21復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)雜部位超聲檢測系統(tǒng)、CUS-22超聲自適應(yīng)檢測設(shè)備、MUI-21 大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲自動檢測技術(shù)設(shè)備、CUS-2F復(fù)合材料纏繞超聲自動檢測技術(shù)設(shè)備等，為國內(nèi)復(fù)合材料研究和工業(yè)應(yīng)用部門提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和支撐，在航空型號研制和生產(chǎn)中一直在發(fā)揮重要作用。特別是正在研制的 UltraScan 9000復(fù)合材料數(shù)字化、自動化超聲自動掃描檢測系統(tǒng)，多達(dá)20檢測通道，采用獨(dú)特的自動跟蹤掃描技術(shù)，可以適應(yīng)7500mm×6000mm以上規(guī)格的復(fù)合材料構(gòu)件的自動掃描檢測。 123456
采用這種數(shù)字化、自動化超聲檢測技術(shù)，可以通過直觀的圖像方式再現(xiàn)被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的詳細(xì)分布和整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量情況，進(jìn)行缺陷的量化評估。

對復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測發(fā)展的思考

復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測是一個(gè)與復(fù)合材料及其制造工藝密切相關(guān)的專業(yè)技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用必須緊密結(jié)合自身的復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、應(yīng)用等特點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃，例如Boeing 和Airbus公司一直結(jié)合自身的復(fù)合材料研發(fā)計(jì)劃和生產(chǎn)任務(wù)，在開展復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用。特別是基于設(shè)備的復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測，針對性更強(qiáng)，去過Boeing和Airbus公司參觀的人都能感覺到在復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測方面，他們具有明顯的不同特點(diǎn)和技術(shù)思路。復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)的關(guān)鍵是需要有十分強(qiáng)大的技術(shù)支持的特殊專業(yè)設(shè)備，集無損檢測、傳感器、儀器、信號處理、掃描控制、成像以及計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電器、數(shù)控等多專業(yè)、多學(xué)科于一體，專業(yè)性極強(qiáng)，屬于特殊的個(gè)例技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用，必須結(jié)合復(fù)合材料、工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造等進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。Boeing和 Airbus公司都花費(fèi)巨資，進(jìn)行了長時(shí)間的持續(xù)研發(fā)和技術(shù)積累，才有今天的技術(shù)規(guī)模。 本文來自123

我國在這方面幾十年的簡單引進(jìn)案例反復(fù)表明，要從根本上解決復(fù)合材料數(shù)字化、自動化無損檢測，僅單純或機(jī)械地引進(jìn)一兩臺檢測設(shè)備，遠(yuǎn)不能從根本上解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化、自動化無損檢測。

一方面，目前我國每年都要花費(fèi)大量資金從國外購買一些不太適合自身型號研制和生產(chǎn)特點(diǎn)的檢測設(shè)備，而且這些檢測設(shè)備的引進(jìn)又大多缺乏技術(shù)依托和配套技術(shù)支持，缺少應(yīng)用開發(fā)和相關(guān)技術(shù)配套，因此難以形成有效的生產(chǎn)能力。另一方面，在型號研制和生產(chǎn)中又急需無損檢測技術(shù)設(shè)備來確保裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，幫助穩(wěn)定工藝，為材料研究提供評價(jià)手段，為設(shè)計(jì)應(yīng)用反饋信息，保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制和型號生產(chǎn)過程中裝機(jī)件質(zhì)量。

因此，今后的發(fā)展規(guī)劃與思路，應(yīng)立足自我，充分利用國際技術(shù)平臺，根據(jù)自身型號批量生產(chǎn)和復(fù)合材料裝機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)，利用有效的資金，開發(fā)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)裝備，建立適合自身技術(shù)特點(diǎn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化、自動化無損檢測技術(shù)體系和平臺，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)內(nèi)涵。