鈦合金結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測實驗研究

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(空軍工程大學 航空航天工程學院,陜西 西安 710038)

0 引 言

鈦合金因具有比強高、耐蝕性好、耐熱性高，機械性能好等特點而被廣泛應用于各個領(lǐng)域。在飛機使用過程中，金屬材料的承力結(jié)構(gòu)發(fā)生故障的主要形式為疲勞斷裂，嚴重威脅飛行安全，因此,對飛機金屬結(jié)構(gòu)進行實時在線疲勞損傷狀態(tài)監(jiān)測十分重要。理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠在結(jié)構(gòu)安全隱患發(fā)生的初期，準確將其發(fā)現(xiàn)并能夠定位和確定隱患的程度，進而提供結(jié)構(gòu)的安全性評估，預測結(jié)構(gòu)損傷的剩余壽命，并對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進行主動控制。

電渦流檢測可用于大多數(shù)導電材料的損傷檢測、適用范圍廣、易于同結(jié)構(gòu)集成、信號處理簡單，可以實現(xiàn)于被測材料不接觸等優(yōu)點，相關(guān)的研究和應用越來越廣泛。損傷監(jiān)測是在無損監(jiān)測基礎(chǔ)上，對損傷實時在線地監(jiān)測，相比無損檢測，損傷監(jiān)測具有實時性、定量化的特點[1～3]。

為研究不同鈦合金寬度裂紋對輸出信號的影響規(guī)律，本文制備了不同裂紋寬度的TC4鈦合金試件，通過搭建的監(jiān)測系統(tǒng)，開展了鈦合金裂紋擴展模擬監(jiān)測實驗研究。實驗結(jié)果表明：隨著裂紋寬度的增加，輸出信號幅值比增大，兩者呈正相關(guān)，通過檢測輸出信號，可以判斷是否出現(xiàn)裂紋，并且可以估計裂紋的寬度。模擬監(jiān)測實驗研究表明:傳感器能夠準確地識別和定量監(jiān)測裂紋，精度達到1 mm。

1 電渦流監(jiān)測的基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，電渦流傳感器中的線圈中通過高頻交變的電流時，線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，它會引起被測導體中產(chǎn)生感應電渦流，感應電渦流包含被測導體的損傷信息，又會反過來影響線圈的有效阻抗，通過分析線圈的有效阻抗可以定量推出其損傷信息，這就是電渦流檢測的基本原理[4～6],如圖1。

圖1 電渦流檢測基本原理

如果有一塊電導率為σ、磁導率為μ、厚度為t、溫度為T的金屬板，距離金屬板上方x處有一個半徑為r的線圈。當線圈中通以正弦交變電流I時，線圈的周圍就產(chǎn)生了正弦交變磁場H。此時，置于此磁場中的金屬板中產(chǎn)生感應電動勢，形成電渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到金屬板導電性能的影響，而渦流的反作用磁場又使線圈的阻抗Z發(fā)生變化，即

Z=F(σ,μ,r,x,t,I,ω).

如果只改變裂紋信息，其他參數(shù)保持不變，這樣阻抗就成為裂紋信息的單值函數(shù)。通過測定線圈阻抗的變化，根據(jù)相應的算法，就可以得出裂紋的信息。電渦流檢測出被測材料的損傷后，確定其位置，分析損傷程度，進而對被測材料的安全性評估，在保證安全的條件下，最大程度發(fā)揮材料的使用潛力。

2 渦流陣列傳感器

渦流陣列傳感器簡化物理模型如圖2所示。渦流陣列傳感器由共面的單匝激勵線圈和感應線圈構(gòu)成。圖中共有4個感應通道，從左到右依次為1,2,3,4通道，激勵線圈周期性延伸，感應線圈位于感應線圈的2條導線之間[7]。

傳感器工作時，激勵電流在矩形區(qū)域1,2,3,4內(nèi)產(chǎn)生激勵場，區(qū)域1,2,3,4內(nèi)所包含的感應線圈產(chǎn)生感生電壓，而位于相應區(qū)域下方的結(jié)構(gòu)損傷可通過渦流影響相應通道的感生電壓，則感生電壓的變化可以判斷裂紋損傷的當前位置，即渦流傳感器通過類似一種分段監(jiān)測的機制來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)裂紋損傷的定量監(jiān)測。

在交變載荷作用下，應力集中部位出現(xiàn)疲勞源，進而發(fā)生裂紋的萌生和擴展。當裂紋擴展到通道1對應的位置時，通道1內(nèi)的感應磁場發(fā)生改變，通道1的輸出信號也相應發(fā)生變化。當裂紋擴展到通道2所對應的位置時，通道2的輸出信號也相應發(fā)生變化。依次類推，隨著裂紋擴展，傳感器各個通道的輸出信號依次發(fā)生變化，通過記錄傳感器各個感應通道輸出信號的變化就實現(xiàn)了對裂紋擴展過程的監(jiān)測。

3 鈦合金疲勞裂紋擴展監(jiān)測模擬實驗

選用TC4鈦合金板材試驗件作為研究對象，裂紋標準試件長200 mm,寬50 mm,厚4 mm，表面拋光處理。試件中心鉆直徑6 mm的圓孔，選用直徑0.1 mm的鉬絲進行線切割，切割出長度為20 mm,寬度分別為0.2,0.3,0.4,0.5 mm的模擬裂紋。

為實現(xiàn)對TC4鈦合金不同寬度裂紋擴展的模擬監(jiān)測，搭建監(jiān)測系統(tǒng)，完成信號發(fā)生、傳輸、采集、特征提取的全過程。裂紋監(jiān)測系統(tǒng)主要由渦流傳感器、激勵信號源、功率放大器、信號采集系統(tǒng)與信號處理五大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、傳輸、采集、處理及裂紋損傷判定[8]。圖4為傳感器裂紋監(jiān)測實驗探頭細節(jié)。

圖3 裂紋監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 傳感器裂紋監(jiān)測實驗探頭細節(jié)

3.1 TC4鈦合金基準信號的測定

將四感應通道渦流陣列傳感器貼附在TC4鈦合金板材表面，輸入激勵信號的頻率為3 MHz的正弦波。選取傳感器各感應線圈的輸出電壓信號與激勵信號電壓的幅值比作為傳感器的特征量，作為傳感器的輸出信號。各通道輸出信號采樣數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 各通道輸出信號采樣數(shù)據(jù)(無裂紋)

從圖5中看出:傳感器的輸出信號幅值比平穩(wěn)，傳感器各個通道工作狀態(tài)正常，傳感器在TC4鈦合金表面工作時能夠保持高可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 在不同寬度裂紋下TC4鈦合金輸出信號的測定

將傳感器貼附在多功能試驗臺的探頭上。通過調(diào)節(jié)探頭的位置，使探頭和裂紋標準試件緊密接觸，并將傳感器置于裂紋上方，在不同寬度裂紋的條件下，觀察并記錄輸出信號。采集輸出信號幅值比，每組采樣100次，通過最小二乘法擬合得到相應寬度裂紋下的輸出信號幅值比，各通道輸出信號如圖6所示。

圖6 不同寬度下各通道輸出信號對比

圖7為在不同裂紋寬度下，傳感器輸出信號幅值比的變化率。以第一通道為例，工作頻率為3 MHz條件下，輸出信號的基準值為0.277 7，當鈦合金板材含有0.2 mm裂紋時，輸出信號為0.285 6，變化率為2.84 %；當鈦合金板材含有0.3 mm裂紋時，輸出信號為0.286 6，變化率為3.22 %；當鈦合金板材含有0.4 mm裂紋時，輸出信號為0.288 2，變化率為3.79 %；當鈦合金板材含有0.5 mm裂紋時，輸出信號為0.290 3，變化率為4.54 %。

圖7 輸出信號變化率

另外3個通道變化規(guī)律與第一通道相同。由此可見，當出現(xiàn)裂紋后，各通道的輸出信號與無裂紋的基準信號有較大的變化，即傳感器對裂紋有較好的檢測能力，并且隨著裂紋寬度的增加，輸出信號幅值比增大。

3.3 TC4鈦合金裂紋監(jiān)測模擬實驗

將試件固定在多功能試驗臺面板上，傳感器貼附在電動位移臺的探頭上，通過位移臺的精準移動，帶動探頭在試件表面移動模擬裂紋的擴展過程。首先將傳感器貼附在試件不含裂紋的地方，通過位移臺移動，逐步使傳感器4個通道依次通過含裂紋的區(qū)域，觀察并記錄輸出信號，輸出信號如圖8所示。

圖8 不同裂紋下各通道幅值比變化曲線

試件固定不動，通過傳感器的緩慢移動進入裂紋來模擬裂紋擴展，傳感器各個通道在進入裂紋前和完全進入裂紋之后，輸出信號比較穩(wěn)定。傳感器各個通道的輸出信號幅值比都有一個明顯的上升過程，表明傳感器正在進入含裂紋區(qū)域。隨著輸出信號的穩(wěn)定，可知傳感器已完全進入裂紋區(qū)域。裂紋寬度越大，相應的輸出信號就越大。這是由于隨著試件模擬裂紋寬度的增加，試件中形成的感應磁場相對減弱，對激勵磁場的削弱作用減小，使得感應線圈輸出信號幅值比相對增大。

由各通道的輸出信號可以定量識別裂紋的長度。第一通道輸出信號增大，可以得知裂紋已經(jīng)擴展至第一通道的感應線圈，當?shù)诙ǖ垒敵鲂盘栐龃螅f明裂紋擴展至第二通道的感應線圈，2個通道感應線圈的間距決定傳感器可以定量識別裂紋的精確度，本文所用的傳感器可以定量識別1 mm的裂紋。

4 結(jié) 論

1)渦流陣列傳感器能夠較好地識別裂紋，當通道的輸出信號幅值比有明顯的上升過程時，說明裂紋正在擴展通過該通道的感應線圈，隨著輸出信號幅值比的穩(wěn)定，可知裂紋已經(jīng)完全擴展傳感器。傳感器感應線圈的陣列化布置實現(xiàn)了對裂紋的定量化監(jiān)測，監(jiān)測靈敏度達到了1 mm。

2)當鈦合金出現(xiàn)裂紋后，傳感器各通道的輸出信號與無裂紋的基準信號有較大的變化，當試件裂紋寬度增加時，傳感器輸出信號幅值比相應增大，與裂紋寬度變化呈正相關(guān)。通過傳感器輸出信號幅值可以定性判斷裂紋的寬度。

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