引言

AE 檢測是一種動態無損檢測技術 ,特別適 于實時監測結構完整性和實時損傷評價·對不易 或者不可達部位 ,AE 往往具有諸如超聲和渦流 等常規無損檢測技術無法比擬的優勢 ,它在飛機 疲勞試驗過程中的應用和研究國內外已有大量報道[1 - 8 ]·

應用聲發射技術的主要難點是噪聲干擾 ,為 此常需要各種信號處理方法 ,但基本上可以分為 參數分析方法和波形分析方法兩大類·波形分析 需要采用寬帶傳感器 ,一般的寬帶傳感器靈敏度較低 ,而高靈敏度寬帶傳感器價格昂貴 ,還需要聲 發射儀器具有波形采集和處理功能 ,加上其實時 性較差 ,因此 ,實際工程應用多以參數分析方法為 主 ,波形分析多用于事后的輔助分析·

本文在某型飛機水平尾翼功能試驗過程中 , 利用聲發射技術對關鍵部件的疲勞損傷進行實時 監測·首先根據斷鉛試驗了解聲波在實際結構上 的傳播特征 ,然后在測試了大量背景噪聲的基礎 上 ,提出了一些數據預處理方法以提高 AE 信號 的信噪比·根據預處理后 AE 特征參數(波擊次數 hit) 的趨勢分析[4 ]判斷結構件狀態的變化和確定 是否有疲勞損傷產生 ,再輔之以其他方法(如幅度 分布、波形分析等) 做進一步驗證·以上方法已被 證明是行之有效的·

1 試驗簡介及傳感器安裝位置

水平尾翼功能試驗是在全尺寸飛機懸空狀態 下進行的·疲勞試驗時 ,水平尾翼由固定在后機身 上的作動筒驅動活動支臂圍繞半軸擺動 ,最大擺 角 ±5°(見圖 1) ·在水平尾翼的上、下翼面上以等 幅譜施加分布載荷 ,其中 ,作動筒接耳連接組件和 半軸是重點監測對象·

左右水平尾翼對稱 ,只討論左水平尾翼的監 測·兩個諧振式傳感器 5 和 6 對稱安裝在固定接 耳的兩側 ,監測 A 處接耳 ;兩個寬帶傳感器 1 和 2 安裝在支臂的兩側 ,監測 B 處接耳組件 ;寬帶傳 感器 3 和 4 監測半軸·由于半軸安裝在水平尾翼 和后機身內部 ,是不可達部件 ,沒有辦法在其上直 接安裝傳感器 ,因此 ,把傳感器 4 安裝在后機身下 表面 ,而傳感器 3 安裝在盤型支臂側面上·

2 AE 監測硬件設置

采用美國 PAC 公司 20 通道 DiSP 系統進行 AE 監測·前 4 個通道具有波形采集功能 ,門檻值 固定為 40 dB ,系統主增益 20 dB ,前置放大器增益 40 dB ,預觸發都是 32μs ,記錄數據長度 1 024 點 , 峰值定義時間、波擊定義時間和波擊閉鎖時間分 別是 300 ,600 和 1 000μs· 寬帶傳感器 1～4 接入 DiSP 系統的前 4 個通道 ,可以進行波形分析·與它們相應的帶通濾波器 通帶頻率設定在 0.1～2 MHz ,采樣頻率 5 MHz· 而諧振式傳感器 5 和 6 的相應通道 , 其帶通濾波 器頻率為 100～400 kHz , 采樣頻率為 1 MHz·

3 聲傳遞通道試驗、背景噪聲測試 及數據預處理

3. 1 聲傳遞通道試驗

采用直徑 0. 5 mm 的 2H 鉛芯折斷來模擬裂 紋源信號進行聲傳遞通道試驗 ,在每一位置斷鉛 3 次 ,取其響應信號的平均值作為測試結果·

測試結果表明 :A ,B 處傳感器響應幅度都在 70 dB 以上 ;傳感器 4 比傳感器 3 有更好的聲傳播 通道 ,幅度響應 64 dB 以上·

3. 2 背景噪聲測試

在試驗初期的平穩階段任取 10 個周期的信 號作為背景噪聲 ,以各個傳感器的波擊次數與幅 度分布表示·背景噪聲很高 ,特別是傳感器 4 ,5 , 6 ,噪聲主要集中在 50 dB 以下·

3. 3 數據的預處理

合理假設疲勞損傷產生 85 dB 左右的源 AE 信號 ,則根據模擬裂紋源測試結果 ,對數據進行幅 度濾波預處理·只分析傳感器 1 ,2 的信號幅度在 65～90 dB ,傳感器 4 ,5 ,6 的信號幅度在 60～90 dB 之間的波擊·處理前有 54 010 個波擊 ,11 167 個波形 ,占用 24. 8 MB 的磁盤空間 ;處理后有 11 105個波擊 ,4 527 個波形 ,占用 9. 61 MB 的磁 盤空間 ,處理后的信息量基本是處理前的 1/ 3 ,但 有效信息依然保存·

4 監測結果和討論

從理論上講 ,在整個疲勞試驗過程中都應當 跟蹤記錄聲發射信號的變化規律 ,但考慮到人員 和設備的承受能力 ,這在實際上顯然是不可行的· 由于裂紋的萌生和擴展都要經歷較長的時間 ,實 施連續監測也沒有必要 ,因此確定每 100 個試驗 周期記錄 10 個周期的 AE 信號 ,并以此作為 AE 信號處理和分析的基本單元·雖然信號采集和記 錄的過程是斷續或者“離散”的 ,但從總體上看 ,這 種記錄又貫穿整個疲勞試驗的始終 ,因此 ,它又是 連續進行的·

4. 1 特征參數的趨勢分析

4. 1. 1 A ,B 接耳組件

在試驗過程中 ,A ,B 接耳組件沒有發生疲勞 損傷·雖然由于試驗環境的變化 ,背景噪聲也發生 相應的變化 ,但對處于同一環境下監測不同對象的傳感器 ,由于對共同背景噪聲的響應 ,其 AE 信 號特征參數將有同樣的變化趨勢·試驗結果也證 明了這一點 ,在此不做詳細敘述

4. 1. 2 半軸(發生疲勞斷裂)

傳感器 4 的波擊次數隨疲勞循環次數變化的 趨勢見圖 2 ,直到第 3 階段 9 072 周期 (飛行 600 h) ,數據波動都不大 ,與傳感器 1 和 2 ,5 和 6 具有 同樣的變化趨勢 ,反映出對背景噪聲的響應·但其 后信號逐步變大 ,到 12 096 周期 (飛行 800 h) 波 擊次數達 2 500 ,隨后在 2 500 上下做大幅振蕩 , 信號變化明顯 ,且與傳感器 1 和 2 ,5 和 6 在此階 段的變化趨勢不同 ,表明有異常狀況發生 ·到 13 680周期 (飛行 900 h) ,半軸斷裂 ,導致試驗停 止·可以說 ,AE信號特征參數的變化趨勢正確反映了半軸從疲勞裂紋形成、擴展到斷裂的過程·

從試驗過程看 ,試驗一直在平穩狀態下進行 , 在疲勞裂紋形成、擴展期間 (9 072 周期到13 680 周期) ,長達近 4 000 個試驗周期 ,除 AE 信號的異 常外 ,沒有跡象表明半軸已經存在嚴重疲勞損傷· 由此可見 :在強沖擊、高背景噪聲的工程實際監測 中 ,AE 信號特征參數的分析仍然是一種有 效的實時監測方法 ,可以在早期發現處于隱蔽或 不可接近位置的部件的疲勞損傷·

4. 2 半軸斷裂的輔助分析及對損傷的解釋

4. 2. 1 關聯分析

AE 信號的關聯分析 (又稱相關分析) 是通過 分析兩個特征參數之間的相關信號的特征 ,以評 價監測對象的狀態·多個特征參數之間的關聯關 系都可以說明半軸的疲勞損傷 ,現僅以傳感器 4 的波擊次數與幅度分布之間的關系進行說明·半 軸在疲勞裂紋形成前及其擴展過程中 ,傳感器 4 波擊次數的幅度分布變化見圖 3·可以看出信號 有明顯變化 ,幅度在 65 dB 以下時 ,隨著試驗周期 的增加 ,波擊次數由沒有損傷時的 50 次以下逐漸 增加到 500 次左右 ,與趨勢分析的結果相吻合 ,同 時表明半軸故障信號幅度在 65 dB 以下·

4. 2. 2 波形分析

波形分析是指根據所記錄信號的時域波形 (及與此相關聯的頻譜和相關函數等) 來獲取有關 聲發射源信息的一種方法 ,它比參數分析方法包 含更豐富的有關 AE 源本質的信息 ,但由于數據 量太大且自動識別仍有困難 ,波形分析技術的實 時實用化十分困難·

為實施波形分析 ,首先必須在大量的信號波形中確認出哪一種波形由疲勞裂紋產生·通過特 征參數的趨勢分析 ,已經知道半軸的疲勞損傷發 生在 9 072 周期之后 ,因此對其前后采集的信號 波形進行對比分析·分析發現在 9 072 周期之后 出現了一類具有同樣特點的波擊 ,其時域波形及其功率譜見圖 4 ,根據下述理由可確認該類波形 由半軸的疲勞損傷產生 :

①該類波形在 9 410 周期之后才開始出現 , 直至半軸斷裂都存在 ,時間上與由特征參數的趨 勢分析判斷的半軸有疲勞損傷的結果一致 ;

②在疲勞試驗過程中 ,水平尾翼由平衡位置 擺動至 ±5°,是半軸的加載段 ,由 ±5°(載荷峰值 點) 返回至平衡位置是卸載階段 ,每一疲勞周期 中 ,該類型的波擊只出現在加載的后半段 ,也就是 說只在半軸承受大載荷(疲勞裂紋擴展) 的時候產 生這樣的波擊 ,符合 Kaiser 效應 ;

③一般金屬材料的裂紋擴展或斷裂產生的 聲發射信號是一種寬頻信號 ,含有豐富的高頻信息 ,該類波形的功率譜說明它是一種寬頻信號 ;

④完全相似的時域波形 ,說明該類波形由同樣的聲發射源產生·

確定了半軸疲勞裂紋擴展產生 AE 信號的波 形后 ,可以得到有關半軸疲勞損傷的相關信息 :

①該類波形最早出現在疲勞試驗的 9 410 周 期 ,說明半軸在 9 410 周期(飛行 620 h) 已經形成 疲勞裂紋·

②從 9 410 周期開始 ,在每一疲勞周期中 ,該 類波形在水平尾翼由平衡位置擺動至 ±5°時都會 出現 ,而半軸承受的是周期性的彎曲載荷 ,其上存 在兩個對稱的最大應力位置 ,且進行周期性的拉 - 壓變化 ,這就說明半軸在該兩個位置都出現了 疲勞裂紋 ,且都在擴展 ,它們的共同作用最終導致 半軸的疲勞斷裂·這恰好與實際斷裂的半軸的斷 口相吻合·分析半軸的斷口可知 :在半軸的兩個對 稱最大應力位置都是焊接點 ,由于腐蝕而形成明 顯的疲勞裂紋源 ,沿疲勞裂紋源向外形成了明顯 的裂紋擴展區和瞬時斷裂區

5 結 論

(1) 在水平尾翼疲勞試驗過程中 ,通過模擬 裂紋源測試和背景噪聲測試 ,確立了 AE 實時監 測的數據預處理原則和損傷判據 ,經監測驗證是 可行的·  

 (2) AE 信號特征參數的趨勢分析是一種簡 單、直觀、有效的數據分析方法 ,特別適合于實際 工程的實時監測·試驗過程中半軸 AE 信號特征 參數的趨勢變化正確反映出處于不可接近位置半軸的疲勞損傷歷程·

(3) AE 信號的波形含有更豐富的疲勞損傷 信息 ,通過波形分析 ,基本確定了半軸初始疲勞損 傷的形成時間和兩對稱的疲勞損傷源·

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