飛機(jī)鉚接壁板疲勞損傷的聲發(fā)射檢測

黃華斌，彭智偉，王竹林，徐 矛

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

壁板鉚接是飛機(jī)上機(jī)身和機(jī)翼等大型整體壁板的主要連接方式，鉚接主要出現(xiàn)在蒙皮長桁與蒙皮框連接區(qū)域。壁板鉚接工藝成熟,制造過程簡單，可大幅降低結(jié)構(gòu)制造成本，在現(xiàn)代民用飛機(jī)整體壁板制造中獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。為保障鉚接壁板在飛行中的安全性，需要通過壁板疲勞試驗(yàn)獲得鉚接壁板的疲勞特性，了解可能出現(xiàn)損傷的部位、損傷產(chǎn)生和擴(kuò)張的過程,那么如何獲得鉚接壁板的疲勞特性就成為急需解決的關(guān)鍵問題之一。

常規(guī)的無損檢測方法如渦流、滲透和超聲等都是在靜態(tài)情況下進(jìn)行的，即在結(jié)構(gòu)卸載情況下才能進(jìn)行且無法監(jiān)測疲勞裂紋萌生并監(jiān)控裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過程。

聲發(fā)射(AE)是一種動態(tài)損傷監(jiān)控技術(shù)，可實(shí)時(shí)連續(xù)有效地監(jiān)測結(jié)構(gòu)在加載狀態(tài)下的微觀運(yùn)動(如裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)斷裂、滲漏等產(chǎn)生的聲發(fā)射信號)。該技術(shù)適用于監(jiān)控大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的裂紋萌生和擴(kuò)展[3]，如瑞典薩博(SAAB)的JAS-39飛機(jī)采用某聲發(fā)射系統(tǒng)成功地完成了整機(jī)靜力試驗(yàn)的聲發(fā)射研究，取得了滿意的效果[4]。美國空軍用聲發(fā)射技術(shù)對F111飛機(jī)的疲勞裂紋進(jìn)行了監(jiān)測，亦取得了一定的成果[5]。同時(shí)，國內(nèi)耿榮生等[6]在某型飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)中，成功采用聲發(fā)射技術(shù)對裂紋萌生進(jìn)行了監(jiān)測。筆者所在單位也在多個(gè)型號飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)中進(jìn)行了聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測，監(jiān)測到了部分裂紋。

筆者在飛機(jī)機(jī)身鉚接壁板結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)中用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)控壁板鉚接區(qū)域，利用聲發(fā)射參數(shù)分析技術(shù)，揭示了疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程及所對應(yīng)的聲發(fā)射信號特征，研究了鉚接壁板的抗疲勞開裂性能，為評定結(jié)構(gòu)剩余壽命和強(qiáng)度提供依據(jù),為飛機(jī)壁板的設(shè)計(jì)和制造工藝的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.1 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

壁板為鉚接結(jié)構(gòu)，蒙皮材料為2024-T351鋁合金，長桁、框的材料為7050-T7451鋁合金，整體壁板疲勞試件包含蒙皮、長桁、框緣條等，鉚接區(qū)域分為蒙皮與框緣條兩層鉚接和蒙皮、框緣條與長桁三層鉚接區(qū)域。兩長桁間距為520 mm。疲勞試驗(yàn)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壁板加載通過長桁來傳遞載荷，試驗(yàn)使用常幅載荷譜，其中最大載荷Pmax=23.5 kN,最小載荷Pmin=1.5 kN,加載頻率f=3 Hz。

1.2 傳感器布置

傳感器的布置位置通常根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果合理選取。通過應(yīng)力分析確定了蒙皮、框緣條與長桁三層鉚接區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，鉚接區(qū)的鉚釘孔邊為應(yīng)力集中部位。壁板上有2個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域布置2個(gè)傳感器，間距200 mm，可以覆蓋所有鉚接區(qū)兩側(cè)各4排鉚釘孔，傳感器1,2,3,4的布置位置如圖1所示。

圖1 壁板試驗(yàn)聲發(fā)射傳感器布置示意

1.3 信號采集參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射監(jiān)測疲勞裂紋的主要困難在于疲勞試驗(yàn)過程中的大量機(jī)械、振動、電磁噪聲干擾。噪聲主要來自于結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下的位移和摩擦、試驗(yàn)件的振動、設(shè)備的電磁噪聲等，這些噪聲信號幅度大且頻率分布廣，使得微弱的疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號容易被淹沒。為了減少噪聲的影響，試驗(yàn)采用了空間濾波和噪聲特征參數(shù)濾波相結(jié)合的方法。

空間濾波是將兩個(gè)探頭組成一組，形成線定位，以兩個(gè)探頭之間的信號作為有效信號，排除其它區(qū)域信號的濾波方式。通過將聲發(fā)射信號來源控制在兩個(gè)傳感器之間，達(dá)到排除不相關(guān)信號的濾波目的。

噪聲特征參數(shù)濾波是利用噪聲的聲發(fā)射信號特征參數(shù)進(jìn)行濾波。如大量機(jī)械、振動噪聲信號的頻率較低，可設(shè)置高通頻率濾波器濾去大多數(shù)此類噪聲，電磁噪聲干擾的幅值及平均有效電平較低，可設(shè)置高通幅值及平均有效電平濾波器濾去大多數(shù)此類噪聲。

設(shè)置參數(shù)時(shí)要盡量多地采集疲勞相關(guān)信號并減少噪聲的影響，二者之中以盡量多采集疲勞相關(guān)信號為主，避免疲勞裂紋信號被濾波手段濾除。設(shè)置參數(shù)時(shí)還應(yīng)通過斷鉛模擬聲發(fā)射信號對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。試驗(yàn)設(shè)定聲發(fā)射設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)如下：一組探頭間距為200 mm；采集幅值門檻值為40 dB;前放增益為40 dB;峰值定義時(shí)間為400 ms;聲發(fā)射事件定義時(shí)間為1 000 ms;撞擊閉鎖時(shí)間為1 200 ms。

2 聲發(fā)射信號分析

2.1 聲發(fā)射信號處理技術(shù)

目前，聲發(fā)射信號分析的方法包括基于參數(shù)分析的聲發(fā)射信號處理技術(shù)和基于波形分析的聲發(fā)射信號處理技術(shù)兩類。

波形分析技術(shù)是根據(jù)所記錄的時(shí)域波形來獲取有關(guān)聲發(fā)射源信息的一種方法。該方法數(shù)據(jù)信息全面、詳細(xì)，但圖形處理的數(shù)據(jù)量較大，對設(shè)備的能力要求較高，實(shí)時(shí)性較差。參數(shù)分析技術(shù)是基于諧振式AE傳感器輸出信號的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來獲取有關(guān)聲發(fā)射源信息的一種方法。常用的參數(shù)有計(jì)數(shù)、振鈴數(shù)、能量、事件、事件率、撞擊(或稱波及)數(shù)、上升時(shí)間、脈沖持續(xù)時(shí)間和幅度分布等。該方法圖形處理的數(shù)據(jù)量少，對設(shè)備要求較低，分析方式簡單、直觀，分析速度快，實(shí)時(shí)性好，且便于監(jiān)測人員掌握。

考慮到監(jiān)測工作的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理工作的時(shí)效性，此次試驗(yàn)采用參數(shù)分析技術(shù)進(jìn)行聲發(fā)射信號分析。

2.2 聲發(fā)射信號分析結(jié)果

在壁板疲勞試驗(yàn)中，通過對采集的主要聲發(fā)射信號特征參數(shù)進(jìn)行趨勢分析、空間定位分析、疲勞裂紋特征參數(shù)濾波組合分析，分析結(jié)果如下。

(1) 事件數(shù)趨勢分析。圖2所示為3-4傳感器定位組采集的聲發(fā)射信號事件的趨勢曲線。從圖2中的歷程和趨勢來看，事件數(shù)平穩(wěn)增長，并沒有發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)的突變。

圖2 3-4傳感器定位組事件數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖3 濾波后3-4傳感器定位組事件數(shù)隨時(shí)間變化曲線

(2) 濾波后事件數(shù)趨勢分析。圖3所示為對3-4傳感器定位組采集的聲發(fā)射信號事件采用幅度、上升時(shí)間、頻率等組合參數(shù)濾波獲得的趨勢曲線。從圖3可以看出，傳感器3和4的信號事件數(shù)在14 000 s之前緩慢增長沒有發(fā)現(xiàn)突變，處于從屈服到裂紋形成的過程中，此階段應(yīng)為無疲勞裂紋階段；約14 000 s時(shí)傳感器3和4的信號事件數(shù)急劇上升，說明結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，很可能萌生裂紋，此拐點(diǎn)應(yīng)為疲勞裂紋產(chǎn)生而出現(xiàn)的突變；14 00016 000 s間，事件急劇上升，此階段應(yīng)為疲勞裂紋由微觀裂紋向宏觀裂紋快速擴(kuò)展階段；16 000 s后，信號為事件平穩(wěn)上升，此階段應(yīng)為宏觀疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

圖4 濾波后3-4傳感器定位組事件能量隨時(shí)間實(shí)時(shí)變化曲線

(3) 信號能量和幅值實(shí)時(shí)分析。為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行了能量和幅值實(shí)時(shí)分析。圖4為濾波后3-4傳感器定位組事件能量隨時(shí)間的實(shí)時(shí)變化曲線，發(fā)現(xiàn)信號能量在14 000 s時(shí)急劇上升，高于之前的20多倍，符合裂紋萌生時(shí)的信號能量特征。之后也出現(xiàn)多次相對較小的能量上升，符合裂紋擴(kuò)展時(shí)的信號能量特征。濾波后3-4傳感器定位組事件幅值隨時(shí)間的實(shí)時(shí)變化曲線如圖5所示，由圖5可見，從14 000 s至試驗(yàn)結(jié)束，出現(xiàn)了大量幅度在6075 dB之間的信號，符合裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)的信號幅度特征。

(4) 空間定位分析。以上分析表明在傳感器3和4附近已存在損傷，并且處于緩慢擴(kuò)展期。再次進(jìn)行定位分析,其結(jié)果如圖6所示，可以看出信號集中位于傳感器3和4之間偏向傳感器4一側(cè)。

圖5 濾波后3-4傳感器定位組事件幅值隨時(shí)間實(shí)時(shí)變化圖

圖6 濾波后3-4傳感器定位組事件定位曲線

`(5) 無損檢測驗(yàn)證。首先對該區(qū)域進(jìn)行渦流檢測，在傳感器3和4連線下方中間偏向傳感器4一側(cè)發(fā)現(xiàn)一條裂紋(見圖7)，證實(shí)判斷正確。隨后在清洗涂層后，經(jīng)滲透檢測確定該裂紋長度為46 mm。

圖7 3-4傳感器連線下方裂紋

3 結(jié)論

采用聲發(fā)射技術(shù)對飛機(jī)鉚接壁板疲勞操作進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)能夠獲得壁板結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展信息，并得到以下結(jié)論。

(1) 聲發(fā)射監(jiān)測要合理選擇監(jiān)測部位，應(yīng)將探頭布置在可能產(chǎn)生損傷的區(qū)域周圍。

(2) 可采用空間濾波和噪聲特征參數(shù)濾波相結(jié)合的方法，濾除疲勞試驗(yàn)過程中的大多數(shù)機(jī)械、振動、電磁噪聲干擾。

(3) 采用聲發(fā)射信號特征參數(shù)進(jìn)行趨勢分析，空間定位分析和疲勞裂紋特征參數(shù)組合濾波分析，能獲得疲勞裂紋萌生的時(shí)間及其擴(kuò)展的情況。

(4) 鉚接壁板疲勞過程中的薄弱區(qū)域不在壁板長桁和框緣條鉚釘孔邊，而是出現(xiàn)在壁板長桁和框緣條鉚接區(qū)旁壁板蒙皮鉚釘孔邊。