飛機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞損傷信息獲取方法研究

王 純，王建強(qiáng)，周蘇楓

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 航空聲學(xué)與振動(dòng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中承受著振動(dòng)載荷的影響，使之產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)疲勞損傷[1，2]。為了識(shí)別振動(dòng)疲勞損傷，研究損傷的形成和發(fā)展，獲取有效的損傷過(guò)程信息，判斷疲勞源形成、裂紋形成及裂紋擴(kuò)展規(guī)律，有必要系統(tǒng)地研究和歸納各種損傷信息獲取方法，獲得有效的損傷時(shí)間和破壞時(shí)刻，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞破壞分析提供基礎(chǔ)。以此為研究目標(biāo)，本文開(kāi)展了多項(xiàng)損傷信息獲取方法的研究，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了各方法的優(yōu)點(diǎn)、適用范圍及其損傷判據(jù)，為結(jié)構(gòu)壽命的分析與研究提供了一定的支持。

結(jié)構(gòu)在振動(dòng)疲勞過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不同的損傷信息。為了獲取這些損傷信息，需要選用適合的測(cè)試手段。材料在振動(dòng)疲勞過(guò)程中存在著能量耗散，能量耗散的具體表現(xiàn)為試驗(yàn)件在疲勞過(guò)程中應(yīng)力集中部位表面溫度及材料內(nèi)部能量的變化[3-5]。針對(duì)材料表面溫度變化，選用紅外熱成像方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；針對(duì)材料內(nèi)部能量變化，選用聲發(fā)射探傷技術(shù)進(jìn)行分析[6，7]。材料在損傷至出現(xiàn)可檢測(cè)裂紋階段，其彈性模量會(huì)相應(yīng)的變化，在宏觀上表現(xiàn)為固有頻率的變化。因此，可以采用共振駐留監(jiān)測(cè)其一階固有頻率的變化過(guò)程[8，9]。

2 損傷測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)件

針對(duì)本文的研究目標(biāo)，開(kāi)展了元件級(jí)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究。試驗(yàn)件為2024-O鋁合金試驗(yàn)件，試驗(yàn)件形式和尺寸如圖1所示。

圖1 元件試驗(yàn)件

2.2 基于共振駐留法識(shí)別材料損傷

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷后，其剛度會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生變化。因此，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的固有頻率變化，便可得知結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生損傷。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用共振駐留試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)與試驗(yàn)件的相位差跟蹤試驗(yàn)件的共振頻率，保持試驗(yàn)件一直處于共振狀態(tài)。根據(jù)這樣的原理，在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控譜線，主動(dòng)獲取試驗(yàn)件共振頻率的變化，從而得知試驗(yàn)件的振動(dòng)疲勞損傷信息。

通過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出如下規(guī)律：當(dāng)試驗(yàn)件的共振頻率下降1%、相位無(wú)法跟蹤，且試驗(yàn)件響應(yīng)(速度、加速度、位移)峰值開(kāi)始出現(xiàn)下降時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)試驗(yàn)件已發(fā)生疲勞破壞。試驗(yàn)件頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示，位移隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)件的頻率隨時(shí)間的變化

圖4 試驗(yàn)件的位移隨時(shí)間的變化

由圖可以看出，試驗(yàn)件在試驗(yàn)過(guò)程中共振頻率開(kāi)始下降時(shí)，其響應(yīng)的變化趨勢(shì)從緩慢上升轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛陆担@意味著試驗(yàn)件內(nèi)部損傷已經(jīng)大量形成，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，造成試驗(yàn)件頻率下降，最終試驗(yàn)件共振頻率下降1%，試驗(yàn)件出現(xiàn)宏觀裂紋，試驗(yàn)件失效。

2.3 基于聲發(fā)射高峰的振動(dòng)疲勞損傷獲取

采用聲發(fā)射動(dòng)態(tài)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)(如圖5所示)，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)在線采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，可在不中止試驗(yàn)(即不中斷損傷擴(kuò)展)的前提下，根據(jù)測(cè)量結(jié)果完成對(duì)結(jié)構(gòu)損傷狀況評(píng)估。

圖5 聲發(fā)射系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

考慮到振動(dòng)試驗(yàn)載荷特征及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，確定對(duì)試驗(yàn)件采取如圖6所示的傳感器布置方案進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。

圖6 試驗(yàn)件傳感器布置方案

由于是在振動(dòng)臺(tái)上加載，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的AE信號(hào)中除裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)外，還含有大量的噪聲信號(hào)。噪聲信號(hào)主要有兩部分：一是電磁噪聲，二是外部干擾噪聲。外部干擾噪聲較多，包括試件自身振動(dòng)所引發(fā)的噪聲、試件與夾具之間的摩擦噪聲及裂紋閉合時(shí)的摩擦噪聲。為了更好地提取有效的聲發(fā)射信號(hào)，分析試件的失效情況，采取參數(shù)濾波方法對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理。

經(jīng)過(guò)參數(shù)濾波后的聲發(fā)射信號(hào)如圖7所示。因?yàn)樵肼曅盘?hào)的能量一般情況下都很低，所以濾波后得到的聲發(fā)射能量趨勢(shì)圖的準(zhǔn)確度相對(duì)較高。從AE信號(hào)能量趨勢(shì)圖可以看出，600s～1000s之間有小波峰，表明損傷已經(jīng)在試驗(yàn)件內(nèi)部大量形成；1400s左右，信號(hào)能量有較大增長(zhǎng)，出現(xiàn)了第一個(gè)聲發(fā)射高峰，可以判定該時(shí)刻為裂紋的萌生點(diǎn)；1700s以后，出現(xiàn)了第二個(gè)聲發(fā)射高峰，判定裂紋進(jìn)入不穩(wěn)定的快速擴(kuò)展階段。

圖7 聲發(fā)射圖

通過(guò)對(duì)AE信號(hào)的采集與分析可知，振動(dòng)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)濾波和空間濾波的方法濾除一部分干擾噪聲，利用相關(guān)分析方法可以提取損傷區(qū)域內(nèi)的有效AE信號(hào)，觀察金屬結(jié)構(gòu)件振動(dòng)疲勞損傷的演化過(guò)程，以獲得聲發(fā)射參數(shù)與疲勞損傷參數(shù)間的定量關(guān)系。

2.4 基于熱紅外成像的振動(dòng)疲勞損傷獲取

材料在載荷作用下的損傷是一個(gè)能量耗散的過(guò)程，可以通過(guò)研究材料在試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化規(guī)律來(lái)表征材料的物理狀態(tài)變化。紅外熱成像作為一種非接觸式的、無(wú)損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中材料表面溫度的變化，記錄穩(wěn)定的溫升值，而且還能夠觀察損傷和破壞的物理過(guò)程，成為了解金屬材料疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展等過(guò)程比較有效的無(wú)損監(jiān)測(cè)手段。本研究就是通過(guò)紅外成像監(jiān)測(cè)金屬在

振動(dòng)疲勞過(guò)程中溫度變化情況，間接獲取疲勞損傷信息。熱紅外測(cè)試原理如圖8所示，紅外熱信號(hào)分析的流程圖見(jiàn)圖9，最終得到的典型試驗(yàn)件紅外譜圖如圖10所示。

圖8 熱紅外測(cè)試原理圖

圖9 紅外熱信號(hào)分析流程圖

圖10 典型試驗(yàn)件紅外譜圖

通過(guò)對(duì)典型金屬元件進(jìn)行振動(dòng)疲勞紅外監(jiān)測(cè)，可得出以下結(jié)論：整個(gè)壽命期大致可分為3個(gè)階段，一是溫度快速上升階段，二是溫度緩慢上升階段，三是溫度快速下降階段。

溫度快速上升階段對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件共振建立的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間比較短。溫度緩慢上升階段對(duì)應(yīng)材料內(nèi)部微觀損傷形成及演化的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。溫度下降階段對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件宏觀損傷擴(kuò)展的階段，這個(gè)階段約占整個(gè)壽命的5%。

從試驗(yàn)件疲勞裂紋的監(jiān)測(cè)過(guò)程可以看出，熱紅外成像可監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件表面溫度變化的情況，并通過(guò)觀察溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差值曲線，監(jiān)測(cè)到溫度變化異常的時(shí)刻，反映出試驗(yàn)件產(chǎn)生了振動(dòng)疲勞破壞。

3 總 結(jié)

通過(guò)研究材料損傷參數(shù)的變化，總結(jié)了損傷信息獲取的各種方法，闡述了各測(cè)試方法的損傷判據(jù)，形成了系統(tǒng)的損傷信息獲取方法，為結(jié)構(gòu)損傷及壽命分析提供了有效的手段。