鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)研究

馮璐璐，李全通，焦勝博，張海濤

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038)

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鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)研究

馮璐璐，李全通，焦勝博，張海濤

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038)

針對(duì)航空器金屬結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和需要，文中提出了一種基于柔性平面的非對(duì)稱渦流陣列傳感器，構(gòu)建了其半解析正向模型，優(yōu)化了傳感器工作頻率、提離距離等參數(shù)。然后搭建了基于渦流陣列傳感器的結(jié)構(gòu)裂紋在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展了2A-12鋁合金裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。模型仿真結(jié)果表明：非對(duì)稱渦流陣列傳感器存在最優(yōu)工作頻率，隨著提離距離的增加最優(yōu)工作頻率值減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非對(duì)稱渦流陣列傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)2A-12鋁合金半孔板試樣的實(shí)時(shí)裂紋監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了1 mm。

裂紋監(jiān)測(cè)；非對(duì)稱渦流傳感器；疲勞損傷；鋁合金

0 引言

目前飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料仍以金屬材料為主，特別是結(jié)構(gòu)中的承力構(gòu)件幾乎全是由鋁合金、強(qiáng)度鋼及鈦合金等材料制成。鋁合金具有較高的抗腐蝕性、良好的可焊性和中等強(qiáng)度比，被廣泛運(yùn)用于飛機(jī)、艦船及汽車(chē)等的制造工業(yè)中[1 ]。我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的第二代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)用材中鋁合金占80%以上，在研的第三代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)用材仍在60%～70%[2-3 ]。在飛機(jī)服役過(guò)程中，金屬結(jié)構(gòu)受到交變載荷的作用，不可避免地會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷。同時(shí)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中存在大量的開(kāi)口、槽、銷(xiāo)釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)形式，這些部位由于存在應(yīng)力集中極易產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋的萌生和擴(kuò)展往往造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)突然破壞，甚至發(fā)生機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。因此有必要對(duì)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的完整性開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)以各種先進(jìn)理論與方法為基礎(chǔ)，利用各種手段獲取結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)分析傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)突發(fā)和累計(jì)損傷(含裂紋)發(fā)生位置與破壞程度，并對(duì)發(fā)生后果的可能性進(jìn)行判斷與預(yù)測(cè)，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析提供依據(jù)。

受目前技術(shù)水平和監(jiān)測(cè)方法的限制，現(xiàn)有的基于各類(lèi)傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)的無(wú)縫融合，而通常采取將傳感器貼附或嵌入到結(jié)構(gòu)表面的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，如光纖技術(shù)、聲發(fā)射、智能信息涂層及相對(duì)真空度等[ 4-5 ]，但這些技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在諸多問(wèn)題，如聲發(fā)射技術(shù)無(wú)法對(duì)損傷進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)、智能信息涂層由于其隨附損傷特性原理導(dǎo)致涂層經(jīng)常出現(xiàn)脫落、損壞等耐久性問(wèn)題。目前，一類(lèi)具有柔性平面特點(diǎn)的渦流陣列傳感器因其具有諸多優(yōu)勢(shì)而逐漸地被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，其具有裂紋監(jiān)測(cè)高靈敏度和裂紋監(jiān)測(cè)非接觸式的優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)具有復(fù)雜平面的結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)現(xiàn)有成熟柔性電路板工藝制備，有利于進(jìn)一步的工程推廣應(yīng)用。在這類(lèi)柔性平面渦流陣列傳感器中，最具有代表性的是MWM(Meandering Winding Magnetometer)[6 ]傳感器以及歐洲空中客車(chē)工業(yè)公司在空客320現(xiàn)役客機(jī)上采用的ETFS(Eddy Current Foil Sensor)。

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的特點(diǎn)和需要，本文設(shè)計(jì)了一種適用于金屬半孔結(jié)構(gòu)的渦流陣列傳感器，建立了基于此傳感器的飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案,并構(gòu)建了傳感器正向解析模型，優(yōu)化了傳感器的最優(yōu)工作頻率和最優(yōu)導(dǎo)線厚度。通過(guò)2A-12鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方案可行性，得到非對(duì)稱渦流陣列傳感器的裂紋監(jiān)測(cè)精度，進(jìn)一步驗(yàn)證基于渦流陣列傳感器的裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

1 非對(duì)稱渦流陣列傳感器

1.1 傳感器簡(jiǎn)化模型

非對(duì)稱渦流陣列傳感器是針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中半孔、槽、角等應(yīng)力集中部位而提出的，其簡(jiǎn)化物理模型如圖1所示。不同于傳統(tǒng)渦流檢測(cè)中所使用的多匝繞制線圈，非對(duì)稱渦流陣列傳感器由共面的單匝激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈構(gòu)成。圖中共有4個(gè)感應(yīng)通道，從左到右依次為1、2、3、4通道，激勵(lì)線圈周期性延伸，感應(yīng)線圈位于感應(yīng)線圈的2條導(dǎo)線之間[ 7-8 ]。

圖1 非對(duì)稱渦流陣列傳感器簡(jiǎn)化物理模型

傳感器工作時(shí)，激勵(lì)電流I在矩形區(qū)域1、2、3、4內(nèi)產(chǎn)生激勵(lì)場(chǎng)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，區(qū)域1、2、3、4內(nèi)所包含的感應(yīng)線圈感生出V01、V02、V03、V04，而位于相應(yīng)區(qū)域下方的結(jié)構(gòu)損傷可通過(guò)渦流影響相應(yīng)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(dāng)前位置，即非對(duì)稱渦流傳感器通過(guò)類(lèi)似一種分段監(jiān)測(cè)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋損傷的定量監(jiān)測(cè)。

1.2 半解析正向模型的建立

非對(duì)稱渦流陣列傳感器損傷監(jiān)測(cè)半解析模型的核心在于建立感應(yīng)線圈輸出信號(hào)與將損傷等效為被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率變化之間的關(guān)系[9 ]。激勵(lì)線圈中的電流激勵(lì)信號(hào)是時(shí)諧激勵(lì)源，激勵(lì)磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)均屬于時(shí)諧電磁場(chǎng)，由時(shí)諧電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組得到時(shí)諧場(chǎng)磁矢A的微分方程：

Δ2A=-μJs-k2A

(1)

式中：μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；k為電流密度；Js為外電源的電流密度。

由于磁矢A是周期函數(shù)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可知，周期性分布的場(chǎng)量可以表示為傅里葉級(jí)數(shù)形式，因此磁矢函數(shù)A可以表示成傅里葉級(jí)數(shù)形式。由傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式可知，傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)的求解是模型構(gòu)建的關(guān)鍵。激勵(lì)線圈中通入激勵(lì)電流后，根據(jù)渦流理論和集膚效應(yīng)，電流密度在激勵(lì)線圈導(dǎo)線中的分布并不均勻，成兩側(cè)高中間低的規(guī)律，如圖2所示。

圖2 電流密度分布規(guī)律示意圖

根據(jù)激勵(lì)線圈中電流分布規(guī)律，把激勵(lì)線圈按照余弦規(guī)律取n個(gè)配點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 線圈截面配點(diǎn)及子域劃分方式

每段電流密度函數(shù)可以通過(guò)兩端的電流密度差指點(diǎn)線性插值得到，這樣整個(gè)傳感器的感應(yīng)線圈被劃分為n-1段，每段的電流密度函數(shù)表達(dá)式已知，整個(gè)傳感器的電流密度函數(shù)可以將n-1段電流密度函數(shù)線性疊加得到，即

(2)

為得到界面0處的線電流密度K的級(jí)數(shù)系數(shù)Keven和Kodd，需引入模型數(shù)值部分，即在線圈截面上配置離散點(diǎn)和子域，并假設(shè)各離散點(diǎn)之間的線電流密度滿足線性分布。

根據(jù)傅里葉變換系數(shù)的積分式，可以將Keven和Kodd表達(dá)為離散點(diǎn)處線電流密度的系數(shù)加權(quán)疊加，即

(3)

(4)

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，在不同介質(zhì)層分界面處，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁矢存在相應(yīng)的傳遞關(guān)系。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁矢A不同介質(zhì)層中的傳遞關(guān)系，得到

同時(shí)在界面0處r向磁場(chǎng)強(qiáng)度H滿足切向邊界條件

Hr(z=0+)-Hr(z=0-)=K

(5)

得到磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁矢之間的傳遞關(guān)系

A=T(σ,μ,L)MKK0

(6)

對(duì)線圈內(nèi)部的任意閉合環(huán)路應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律得

(7)

將激勵(lì)線圈電流定義為1 A，則可得各通道感應(yīng)線圈感應(yīng)電壓，最后得到各感應(yīng)線圈通道的跨阻抗值。

2 損傷監(jiān)測(cè)靈敏度分析

2A-12鋁合金以其較高的強(qiáng)度、良好的塑性成形能力和機(jī)械加工性能成為航空工業(yè)中使用最為廣泛的鋁合金之一。本節(jié)以2A-12鋁合金半孔樣板件為被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用上節(jié)構(gòu)建的損傷監(jiān)測(cè)半解析模型，分析激勵(lì)頻率和導(dǎo)線厚度對(duì)損傷監(jiān)測(cè)靈敏度的影響，尋找最佳的工作頻率和對(duì)應(yīng)的提離距離。定義損傷監(jiān)測(cè)靈敏度Sσ

(8)

式中:ZA為傳感器跨阻抗幅值；σ為2A-12鋁合金電導(dǎo)率；ΔZA和Δσ分別為結(jié)構(gòu)損傷引起的跨阻抗幅值和電導(dǎo)率的變化量；ZA0和σ0分別為結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷時(shí)的跨阻抗幅值和電導(dǎo)率。

本文所使用的是四通道非對(duì)稱渦流陣列傳感器，考慮到傳感器各個(gè)通道的跨阻抗隨輸入?yún)?shù)的變化規(guī)律是一致，本文選取第一通道進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)靈敏度分析。不同提離距離情況下傳感器損傷監(jiān)測(cè)靈敏度隨著激勵(lì)頻率的變化如圖4所示。

圖4 不同提離距離下的損傷監(jiān)測(cè)靈敏度隨激勵(lì)頻率的變化

由圖4可看出，在同一提離距離下，隨著工作頻率由低到高，傳感器的損傷監(jiān)測(cè)靈敏度先增大后減小，非對(duì)稱渦流陣列傳感器存在最優(yōu)工作頻率[10 ]。對(duì)比3種提離距離傳感器的損傷監(jiān)測(cè)靈敏度發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增加傳感器的最優(yōu)損傷監(jiān)測(cè)靈敏度較小，這是由于隨著提離距離的增加，激勵(lì)線圈在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出的電渦流減弱，相應(yīng)的等效損傷參數(shù)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)的影響減弱，所以傳感器對(duì)裂紋的靈敏度會(huì)減弱。同時(shí)，隨著提離距離的增加，傳感器的最優(yōu)工作頻率增加。

傳感器中感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈導(dǎo)線的厚度影響著電流在其內(nèi)部的分布，因此有必要弄清導(dǎo)線厚度對(duì)傳感器對(duì)裂紋損傷監(jiān)測(cè)能力的規(guī)律進(jìn)行研究。不同導(dǎo)線厚度下傳感器損傷監(jiān)測(cè)靈敏度隨激勵(lì)頻率的變化如圖5所示。

圖5 不同導(dǎo)線厚度下的傳感器損傷監(jiān)測(cè)靈敏度隨激勵(lì)頻率的變化

從圖5可以看出，不同導(dǎo)線厚度下，傳感器損傷監(jiān)測(cè)靈敏度隨頻率的變化趨勢(shì)基本一致，隨著導(dǎo)線厚度的變化，傳感器損傷監(jiān)測(cè)靈敏度略有下降。

3 2A-12鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件制備

選用2A-12鋁合金板材半孔樣板試驗(yàn)件作為研究對(duì)象，如圖6所示。傳感器為單層結(jié)構(gòu)四感應(yīng)通道渦流陣列傳感器，線圈的材料為黃銅。傳感器與平板之間的提離距離為0.2 mm。

圖6 2A-12鋁合金半孔試驗(yàn)件

3.2 試驗(yàn)件有限元分析

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行三維有限元仿真，分析試驗(yàn)件在拉伸載荷作用時(shí)應(yīng)力的分布，找到應(yīng)力最大的部位。為裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中傳感器的布置提供依據(jù)。根據(jù)制備的半孔試驗(yàn)件，建立其有限元實(shí)體模型，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)件實(shí)體模型

在進(jìn)行裂紋監(jiān)測(cè)時(shí)，需將傳感器安裝在易于發(fā)生疲勞裂紋的部位，通過(guò)分析尋找試驗(yàn)件的高應(yīng)力部位，獲取疲勞源的部位。對(duì)試驗(yàn)件實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，設(shè)置拉力為15 kN，應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 孔邊局部應(yīng)力分布圖

從孔邊局部應(yīng)力分布圖8中看出，孔的中心部位應(yīng)力水平最高，因此這一部位容易成為疲勞源，即是容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

將傳感器用膠粘貼覆在半孔一側(cè)，通過(guò)材料試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件加載荷譜，在中心孔邊萌生裂紋并擴(kuò)展，載荷譜如表1所示。

表1 程序載荷譜

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)搭建的裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過(guò)濾波和特征提取后在電腦屏幕中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。試驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 疲勞裂紋試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)件安裝于疲勞試驗(yàn)機(jī)(MTS810)上。連接相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備；啟動(dòng)裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和疲勞試驗(yàn)機(jī)，歸一化激勵(lì)信號(hào)頻率為0.2 Hz，載荷施加頻率為10 Hz；試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)傳感器的輸出信號(hào)，直至試驗(yàn)件斷裂時(shí)停止監(jiān)測(cè)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

采集非對(duì)稱渦流陣列傳感器四個(gè)通道在試驗(yàn)過(guò)程中的信號(hào)并作圖，由于在試驗(yàn)過(guò)程中存在振動(dòng)及設(shè)備電磁干擾，因此作圖時(shí)首先進(jìn)行小波去噪處理，并將采集信號(hào)進(jìn)行奇異值分析，4通道的采樣信號(hào)曲線如圖10～圖13所示。

圖10 通道1幅值比變化對(duì)比曲線

圖11 通道2幅值比變化對(duì)比曲線

圖12 通道3幅值比變化對(duì)比曲線

圖13 通道4幅值比變化對(duì)比曲線

從圖10～圖13中看出，經(jīng)過(guò)小波去噪后高頻噪聲信號(hào)被濾除，四個(gè)通道在采集信號(hào)過(guò)程中均存在奇異點(diǎn)(A、B、C、D點(diǎn))，表明當(dāng)鋁合金試件裂紋擴(kuò)展到關(guān)鍵點(diǎn)(對(duì)應(yīng)1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)，對(duì)應(yīng)通道的采集信號(hào)出現(xiàn)幅值奇異點(diǎn)，這些奇異點(diǎn)表征了裂紋擴(kuò)展到相應(yīng)距離。本文搭建的基于渦流陣列傳感器的疲勞裂紋系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器輸入信號(hào)的自動(dòng)控制，傳感器輸出信號(hào)采集、處理及終端顯示的實(shí)時(shí)化，滿足對(duì)提出的渦流陣列傳感器進(jìn)行飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋在線試驗(yàn)的要求。采用小波變換能夠有效地過(guò)濾噪聲信號(hào)，使得信號(hào)特征得到顯著加強(qiáng)，結(jié)合奇異點(diǎn)的檢測(cè)，準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)到裂紋的萌生及擴(kuò)展。將各通道幅值比變化曲線中的拐點(diǎn)作為特征點(diǎn)，通道1能夠?qū)鄯e損傷進(jìn)行監(jiān)控，通道2、3、4能夠?qū)ζ诹鸭y擴(kuò)展長(zhǎng)度進(jìn)行定量，且其精度達(dá)到1 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用非對(duì)稱渦流陣列傳感器，對(duì)鋁合金半孔試驗(yàn)件的應(yīng)力集中部位進(jìn)行損傷檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)搭建的裂紋在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成了信號(hào)產(chǎn)生、傳輸、采集及處理全過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)室條件下具備對(duì)裂紋損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)的能力；

(2)在同一提離距離下，隨著工作頻率由低到高，傳感器的損傷監(jiān)測(cè)靈敏度先增大后減小；

(3)非對(duì)稱渦流陣列傳感器具備對(duì)疲勞裂紋損傷定量監(jiān)測(cè)的能力，在試驗(yàn)中準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到了裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，裂紋監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了1 mm。

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《管道技術(shù)與設(shè)備》雜志

控制與測(cè)量專欄征稿

征稿范圍：

有關(guān)管道系統(tǒng)及儲(chǔ)存設(shè)施的自動(dòng)控制(壓力、流量、溫度等)，測(cè)量技術(shù)，腐蝕尋線，檢測(cè)探傷等儀器設(shè)備的新成果、新工藝及應(yīng)用實(shí)例等。包括故障診斷及其分析，檢測(cè)儀器、檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置的研究；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助試驗(yàn)和輔助制造的研究和應(yīng)用；在線監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用；執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等的設(shè)計(jì)和研究。

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Research on Fatigue Crack Monitoring of Aluminum Structure

FENG Lu-lu，LI Quan-tong，JIAO Sheng-bo，ZHANG Hai-tao

(Aeronautics and Astronautics Engineering College，Air force Engineering University，Xi’an 710038，China)

To monitor the crack damage located at metal frame,a kind of unsymmetrical current sensor with flexible and planar features was introduced.Semi-analytical model of the sensor was constructed and the driving frequency and liftoffs were optimized though the constructed model.Fatigue crack monitoring experiment of 2A-12 aluminum alloy specimen was carried out to verify the fatigue crack monitoring capability of sensor.Analysis results show that optimized driving frequency exists under difference liftoffs and the optimized damage monitoring sensitivity decreases with the increasing of liftoffs.Monitoring experiment result indicates that unsymmetrical sensor has a certain ability to monitor the fatigue damage with an accuracy of 1 mm.

crack monitoring;unsymmetrical eddy-current sensor;fatigue damage;aluminum

2015-02-15 收修改稿日期：2015-08-06

V216.3

A

1002-1841(2015)12-0057-04

馮璐璐(1988—)，碩士生在讀，研究領(lǐng)域?yàn)閯?dòng)力裝置結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與振動(dòng)。E-mail：215086183@qq.com 李全通(1963—)，教授，碩士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)閯?dòng)力裝置結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與振動(dòng)。