| 摘要(yào)： 在現(xiàn)在的(de)經濟觀點中，結構必須保持工(gōng)作(zuò)的(de)時(shí)間(jiān)要(yào)比初始預期的(de)時(shí)間(jiān)要(yào)長(cháng)的(de)多(duō)。這(zhè)些(xiē)結構的(de)老('lǎo)化(huà)效應變得(de)很(hěn)顯著，并在确定關于這(zhè)些(xiē)結構使用(yòng)、維護和(hé)退役方案時(shí)必須考慮老(l÷ǎo)化(huà)效應。
用(yòng)于監控結構狀況的(de)無損檢驗技(jì)術(shù)的(de)發展是(shì)非常活躍的(de)，且這(zhè)些(xiē)發展主要(yào↔)集中于已存在結構現(xiàn)有(yǒu)壽命的(de)延長(cháng)和(hé)維護費(fèi)用(yòng)的(de)降低(dī)。 一(yī)種快(kuài)速、準确和(hé)成本較低(dī)的(de)結構監控方法是(shì)聲發射(AE)和(hé)超聲-聲發射(AU)，這(zhè)種方法已被證明(míng)非常可(kě)靠，并能(néng)檢測"局部"和(hé)"全局"。AE/AU技(jì)術(shù)可(kě)以在可(kě)能€(néng)的(de)災難性故障以前檢測結構缺陷，補充其他(tā)的(de)無損檢測檢驗方法。AE/AU技(jì)術(shù)在預定的(de)維護計(jì)劃中♠結構健康監控已被證明(míng)是(shì)可(kě)靠的(de)、合理(lǐ)的(de)技(jì)術(shù)。這(zhè)是(shì)因為(wèi)在危及結構完整性和(hé)結構故障發生(sεhēng)之前，中斷處可(kě)以産生(shēng)可(kě)檢測到(dào)的(de)聲發射。聲發射技(jì)術(shù)和(hé)超聲-聲發射技(jì)術(shù)可(kě)以應用( yòng)于現(xiàn)在很(hěn)多(duō)的(de)老(lǎo)化(huà)結構問(wèn)題，範圍涉及航≠天工(gōng)業(yè)中的(de)結構健康監控。确定混合複合材料結構由活動缺陷引起的(de)不(bù)連續處。本文(wén)将檢驗這(zhè)種技(jì)術(sh ù)，并討(tǎo)論幾種應用(yòng)和(hé)監控案例。 介紹： 聲發射 (AE)是(shì)從(cóng)材料中的(de)損傷源快(kuài)速釋放(fàng)能(néng)量而産生(shēng)的(de)彈性應↔力波。這(zhè)些(xiē)彈性波可(kě)以監測到(dào)并轉換成壓電(diàn)信号，這(zhè)些(xi>ē)由安裝在材料表面的(de)小(xiǎo)的(de)壓電(diàn)晶體(tǐ)傳感器(qì)完成。傳感器(φqì)響應通(tōng)過前後濾波器(qì)去(qù)除頻(pín)率低(dī)于100KHz的(de)可(kě)聽(tīng)得(de)見(jiàn)的(de)噪聲。結果₽表明(míng)即使是(shì)周圍的(de)噪聲水(shuǐ)平很(hěn)高(gāo)使用(yòng)聲發射也(yě)能(néng)監控結構的(de)活動損傷。聲發射的(de)損傷源包括斷裂、塑性變形、沖擊、磨擦、腐蝕膜層破壞及其他(tā)過程。對(£duì)于檢測幾百平方微(wēi)米或更小(xiǎo)的(de)表面上(shàng)新形成的(de)裂紋，聲發射≥有(yǒu)足夠的(de)靈敏度。
超聲-聲發射(AU)是(shì)在具有(yǒu)聲發射應用(yòng)特征的(de)頻(pín)率範圍內(nèi)使用(yòng)超聲✔波方法。該技(jì)術(shù)能(néng)檢測和(hé)描繪單層和(hé)多(duō)層金(jīn)屬♠、陶瓷和(hé)複合闆材料結構的(de)差異。也(yě)能(néng)對(duì)微(wēi)觀結構、金(jīn)屬≤厚度和(hé)厚的(de)複合材料進行(xíng)腐蝕及分(fēn)布差異的(de)檢測。AU使用(yòng)脈沖發生(s§hēng)器(qì)和(hé)接收傳感器(qì)以低(dī)超聲範圍內(nèi)的(de)共振頻(pín)率， 結合波傳播動力學預測來(lái)檢測損傷。超聲波被表面和(hé)界面反射回來(lái)，由于散射和(hé)吸收衰減，在✔反射和(hé)播送中模式發生(shēng)變化(huà)。這(zhè)些(xiē)結果主要(yào)依賴于波的(de)頻(pín)率、方向、初始模式和(hé)表面損傷的(de)位置和(hé)方位。當結構發生(shēng)損傷時(shí)，信号發生(shēng)變化(huà)就(jiù)表示損傷類型。通(tōn→g)過計(jì)算(suàn)信号中給定的(de)損傷類型和(hé)度的(de)平均變化(huà)。可(kě)以從(cóng)AU測量值來(lái)估算(su àn)損傷。 結構健康狀态監控(SHM)系統： | 聲發射-直升機(jī)健康狀态和(hé)使用(yòng)監控系統(AE-HUMS)是(shì)一(y∑ī)種用(yòng)于直升機(jī)動力傳動系統中檢測損傷的(de)裝置。該系統使用(yòng)SH-60動力傳動系統(組成見(jiàn)圖1)獲得(de)的(d✔e)實驗數(shù)據研制(zhì)而來(lái)。使用(yòng)該數(shù)據顯示AE-HUMS系統有(yǒu)能(néng)力檢測動力φ傳動系統中不(bù)同部件(jiàn)的(de)多(duō)種損傷過程，能(néng)估算(suàn)相(xiàng)對φ(duì)損傷危害度，及能(néng)識别損傷進展，例如(rú)：裂紋擴展等。在副齒輪中擴展的(de)裂紋能(néng)在故障發生(✘shēng)前15分(fēn)鐘(zhōng)檢測出來(lái)。 |
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| 同時(shí)，還(hái)能(néng)檢測和(hé)監控裂紋形成前數(shù)小(xiǎo)時(shí)由損傷引起的(de)裂紋(如(¥rú)圖2)，有(yǒu)迹象表示将來(lái)對(duì)系統修改将允許裂紋的(de)形成和(hé)裂紋擴展，并可(kě)以與其他(tā)類型的(d↓e)損傷擴展區(qū)分(fēn)開(kāi)來(lái)。在廣泛的(de)應用(yòng)範圍內(nèi)AE-HUMS系統用(yòng)來(lái)監控動力←傳動系統、齒輪箱及轉動零件(jiàn)有(yǒu)很(hěn)大(dà)的(de)潛力。 |
目前裝配的(de)AE-HUMS系統提供了(le)四個(gè)級别的(de)損傷指标。每個(gè)通(tōng)道(dào)顯示一(yī)個(gè)狀态條€，四種顔色中的(de)一(yī)種表示部件(jiàn)的(de)一(yī)種狀态。這(zhè)些(xiē)顔色是(shì)：綠(lǜ)色表示通≤(tōng)過情況；黃(huáng)色表示可(kě)能(néng)的(de)最小(xiǎo)無擴展損傷；σ橙色表示明(míng)确的(de)和(hé)嚴重的(de)無擴展損傷；紅(hóng)色表示嚴重的(de)擴展損傷。無聲音(yīn)報(bào)警。操作(zuò)員(yuán)可(kě)以關掉任♣一(yī)通(tōng)道(dào)或整個(gè)系統。
飛(fēi)機(jī)全尺寸疲勞試驗(FSFT)：現(xiàn)在的(de)無損檢測技(jì)術♣(shù),象超聲波、渦流和(hé)放(fàng)射線照(zhào)相(xiàng)術(shù)要(yào)求很(hěn)高(gāo)的(de)經過培訓的(de)技≠(jì)術(shù)人(rén)員(yuán)，花(huā)費(fèi)很(hěn)多(duō)時(shí)間(j£iān)尋找顯著區(qū)域，且經常分(fēn)解機(jī)架結構以确定裂紋位置和(hé)長(cháng)度。目前，檢測位置和(hé)間(jiān)隔必須依據以前的(de↔)缺陷統計(jì)特征。然後必須在所有(yǒu)位置進行(xíng)無損檢測掃描來(lái)确定是(shì)否有(yǒu)真正的(de)缺陷存在。使用(yòng)聲發射允許通(tōng)過裂紋擴 展聲音(yīn)識别點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗是(shì)依據在實際産品結構預先加載與服役中一(yī)樣的(de)循環載荷原理(lǐ)。試驗的(de)自(zì)動加載$系統在比實際運行(xíng)服役短(duǎn)很(hěn)多(duō)的(de)時(shí)間(jiān)段內(nèi)提供很(h₹ěn)多(duō)次載荷循環。因為(wèi)強迫缺陷擴展，在維修它時(shí)要(yào)和(hé)實際操作(zuò)規程一(yī)樣。這(zhè)個(gè)試驗全部目的(de)是 (shì)确定疲勞臨界位置和(hé)在這(zhè)些(xiē)位置上(shàng)疲勞壽命和(hé)裂紋擴展特征。 |
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FSFT是(shì)載荷模式，即：疲勞載荷譜依據于實際運行(xíng)數(shù)據。在早期産品階段(圖3)完成全尺寸試驗通(≥tōng)常使用(yòng)很(hěn)低(dī)危害的(de)疲勞載荷譜(和(hé)多(duō)數(shù↑)飛(fēi)行(xíng)目前進行(xíng)載荷譜比較)，期望的(de)飛(fēi)行(xíng)使用(yòng)壽命也(yě)比現(xiàn)在要(yào)求機(jī)架壽命短(duǎ<n)。這(zhè)就(jiù)導緻要(yào)保持我們舊(jiù)的(de)飛(fēi)行(xíng)就(jiù)要(yào)≈求越來(lái)越多(duō)的(de)FSFTS。
聲發射試驗是(shì)一(yī)項在應力狀态下(xià)"聽(tīng)"結構的(de)技(jì)術(shù)。在預加應力∞的(de)結構中裂紋或缺陷發射聲波。這(zhè)些(xiē)波通(tōng)過結構傳播并由一(yī)組壓電(diàn)晶體(tǐ)傳感器(qì)收集信λ号。這(zhè)些(xiē)信号傳輸到(dào)基于儀器(qì)的(de)計(jì)算(suàn)機(jī)中來(lái)分(fēn)析波形特征，通(tōng)過比較在傳感器(qì)組中不(b×ù)同傳感器(qì)信号的(de)到(dào)達時(shí)間(jiān)，可(kě)以确定缺陷點所在的(de)位置。
| 聲發射在F-15疲勞試驗上(shàng)的(de)應用(yòng)主要(yào)集中于飛(fēi)機(j✔ī)上(shàng)的(de)幾個(gè)關鍵的(de)結構(圖4)。主要(yào)感興趣的(de)點是(shì)在機(jī)翼和(hé)機(jī)身(shēn)之間₩(jiān)的(de)連接耳片。這(zhè)些(xiē)中間(jiān)的(de)和(hé)主翼梁上(shàng)的(de)耳片在工(gōng)作(zuò)過程承受巨大(dà)的(de)載荷并經常在現(xiàn)場(chǎng)進行(xíng)檢測。機(jī)翼和(hé)機(jī)身(shēn)固定耳片将φ機(jī)翼主梁與機(jī)身(shēn)隔壁連成一(yī)體(tǐ)，由2124鋁合金(jīn)，7075鋁合金(jīn)和(hé)6A1-4V钛鍛件(jiàn)加工(£gōng)而來(lái)。 |
| 即使使用(yòng)最現(xiàn)代的(de)傳統檢測技(jì)術(shù)确定疲勞裂紋的(de)位置也(yě)常常很(hěn)困難。聲發射有(yǒu)告訴檢測人(rén)₹員(yuán)什(shén)麽時(shí)間(jiān)什(shén)麽區(qū)域檢測的(de)能(>néng)力。用(yòng)這(zhè)個(gè)系統可(kě)以節省試驗停車(chē)時(shí)間(jiān)，減少(shǎo)試驗樣機(jī)發生(shēng)災難σ性故障的(de)機(jī)率，用(yòng)該系統獲得(de)較好(hǎo)地(dì)對(duì)裂紋形成的(de)理(₩lǐ)解。這(zhè)種類型的(de)儀器(qì)(圖5)對(duì)疲勞研究是(shì)非常有(yǒu)用(yòng)的(de)，總有(yǒ"u)一(yī)天我們将看(kàn)到(dào)空(kōng)中聲發射監控設備作(zuò)為(wèi)一(yī)種重要(yào)的(de)監控系統。圖"6和(hé)圖7所示為(wèi)傳感器(qì)和(hé)前置放(fàng)大(dà)器(qì)在FST飛(fēi)機(jī)上(shàng)的(de)位置。 |
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圖8.DC-XA 技(jì)術(shù)驗證和(hé)火(huǒ)箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器(qì)安裝位置 |
飛(fēi)行(xíng)聲發射（AE）作(zuò)為(wèi)一(yī)種健康狀态管理(lǐ)試驗在DC±-XA三角機(jī)翼運輸機(jī)技(jì)術(shù)驗證機(jī)上(shàng)獲得(de)了(le)成功地(dì)驗證。AE系統作(zuò)為(wèi)商業(yè)可(kě)買到(dào)的(de)儀器(qì)單元修改用(yòng)于自(←zì)動控制(zhì)和(hé)重設計(jì)AEFIS，AEFIS表示聲發射飛(fēi)行(xíng)儀器(qì)系統。≈聲發射技(jì)術(shù)預示著(zhe)對(duì)滿足新的(de)要(yào)求有(yǒu)了(le)希望σ：能(néng)監控和(hé)反饋關于結構、燃油箱和(hé)燃油系統狀态的(de)信息并傳遞給機(jī)載計(jì)算(suàn)機(jī)。未來(lái)空(kōng)間(jiān)旅行(xíng)的(de)最關心的(de)問(wèn)題之一(yī)就(jiù)昌微(wēi)隕石沖擊，它能(néng) 碰擊飛(fēi)行(xíng)器(qì)上(shàng)升、下(xià)降及在軌道(dào)上(shàng)運動，特别是(shì)複合材料結構逐步成為(wèi)主流。在飛(fēi)行(xíng≥)器(qì)上(shàng)用(yòng)聲發射，它能(néng)被動地(dì)"聽(tīng)"結構并确定沖擊發生(shēng)的(de)位置。一(yī)旦發生÷(shēng)沖擊，系統确定沖擊部位并評估它的(de)危害度。确定位置以後，系統橫過沖擊區(qū)域完成AU試₹驗：主動發射脈沖到(dào)AE傳感器(qì)及獲得(de)收到(dào)的(de)數(shù)字化(huà)波形并和(hé)地(dìφ)面标定獲得(de)的(de)波形進行(xíng)比較。然而這(zhè)個(gè)試驗結果進入人(rén)工(gōng)智能(néng)化(huà)(AI)算(suàn←)法以便給進行(xíng)下(xià)一(yī)步或不(bù)進行(xíng)下(xià)一(yī)步命令(即：如(rú)果損傷發生(shēng)在陶瓷熱<(rè)防護罩上(shàng)，就(jiù)可(kě)以從(cóng)分(fēn)裂及燃燒掉的(de)狀況前挽救結構。) 象前面提到(dào)的(de)，AEFIS∏最初設計(jì)作(zuò)為(wèi)一(yī)種原型反饋關于LH2箱結構和(hé)工(gōng)作(zuò)環境，包括溫度極限、振動和(hé)背景噪聲等信息。其他(tā)技(jì>)術(shù)挑戰有(yǒu)：
·修改标準的(de)AE系統不(bù)用(yòng)主動冷(lěng)卻就(jiù)能(néng)工(gōng)作(zuò)；
·通(tōng)過濾波器(qì)去(qù)除高(gāo)背景聲音(yīn)和(hé)電(diàn)噪聲；
·去(qù)除電(diàn)磁幹涉(EMI)；
·随狀态更新能(néng)直接與火(huǒ)箭PC機(jī)通(tōng)信，自(zì)檢查和(hé)指示；
·由結構完整性分(fēn)析數(shù)據并将數(shù)據相(xiàng)關聯；
·由火(huǒ)箭飛(fēi)行(xíng)器(qì)提供飛(fēi)行(xíng)數(shù)據基線。
| 研制(zhì)一(yī)套AEFIS裝置可(kě)能(néng)采用(yòng)現(xiàn)成的(de)γ産品将超過6個(gè)月(yuè)時(shí)間(jiān)。在飛(fēi)行(xíng)器(qì)內(nèi)部将最後的(de)配置安裝到(dào)著(zhe)陸腳支柱上(sπhàng)，将AE傳感器(qì)由電(diàn)纜連到(dào)LH2箱上(shàng)并包括前置放(fàng)大(dà)器(qì)(圖9)。該裝置使用(∏yòng)耐用(yòng)的(de)工(gōng)業(yè)PC機(jī)帶後闆CPU，(2) PA&C AEDSP 32/16AE闆，一(yī)塊24VDC電(diàn)源用(yòng)飛(fēi)行(xíng)∑器(qì)動力并且是(shì)固體(tǐ)狀态硬件(jiàn)驅動。最後配置尺寸為(wèi)6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可(kě)移動零件(jiàn)(圖10)。軟∞件(jiàn)來(lái)自(zì)标準軟件(jiàn)，在安裝過程中允許有(yǒu)多(duō)種選擇增加自(zì)控自(zì)檢能(néng)力，♦系統狀态I/O及通(tōng)過母系連接加載/下(xià)載能(néng)力等特征。母系連接常用(yòng)來(lái)加載新的(de)試驗配置和(hé)下(xià)載試驗∞數(shù)據，通(tōng)過位于飛(fēi)行(xíng)器(qì)外(wài)面的(de)一(yī)面闆接入的(de)筆(bǐ)記本電(diàn)腦(♣nǎo)完成。 |
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使用(yòng)的(de)傳感器(qì)也(yě)是(shì)現(xiàn)成的(de)産品并包括三種不(bù)同類型，選擇傳感器(qì)根據它們的(de)頻(pín)Ω率響應、大(dà)小(xiǎo)、靈敏度及在火(huǒ)箭中燃料加載，飛(fēi)行(xíng)和(hé)著(zhe)陸過程中承受苛刻溫度和(hé)振動振蕩的(de)能(n>éng)力，圖11所示為(wèi)三種傳感器(qì)中的(de)兩種及它們的(de)大(dà)小(xiǎo)。 總結： 從(cóng)這(zhè)裡(lǐ)報(bào)導的(de)工(gōng)作(zuò)中很(hěn)明(míng)顯聲發射和(hé)聲-超聲波在航天無損©檢驗和(hé)健康狀态監控技(jì)術(shù)中有(yǒu)一(yī)席之地(dì)。同時(shí)這(zhè)裡(lǐ)所說(shuō)的(de)兩個(gè)₽系統都(dōu)是(shì)最新研制(zhì)的(de)。非常明(míng)顯以前非常困難和(hé)不(bù)可(kě)能(néng)檢測的(de)結構中裂紋和(hé)分(fēn)層現(xià∞n)在用(yòng)上(shàng)面兩系統可(kě)以解決。這(zhè)些(xiē)系統的(de)工(gōng)作(zuò)目前研制(zhì)其他(t↓ā)系統并應用(yòng)于這(zhè)樣的(de)平台：X-34和(hé)Delta火(huǒ)箭。 緻謝(xiè): 我們将非常感謝(xiè)：航空(kōng)和(hé)司令部AATD的(de)Bruce Thompson 及Boeing 公司的(de)Gerry Niss€en 和(hé) Jerry Huang，感謝(xiè)對(duì)本文(wén)工(gōng)作(zuò)的(de)支持。 | 
