应用声发射技术实时监测某型直升机防扭支架疲劳试验裂纹

应用声发射技术实时监测某型直升机防扭支架疲劳试验裂纹

摘 要：通过应用声发射技术，及时捕捉疲劳裂纹形成和扩展的过程，给判定疲劳试验件是否破坏带来更准确、客观的依据，从而能为直升机动部件和结构件的准确定寿提供一种科学的辅助手段。
关键词：声发射；直升机防扭支架；监测疲劳裂纹
0 前言
直升机关键部件或关键结构的疲劳破坏一直是危及直升机安全的一个重要因素。现阶段，预防疲劳破坏的有效方法之一就是进行疲劳试验，从而给出直升机的飞行寿命。因此，在疲劳试验时准确获取疲劳试验件的破坏过程对直升机的疲劳定寿有着十分重要的意义。目前，在我国的直升机疲劳试验中，疲劳试验件是否破坏主要以试验人员目视检查试验件出现裂纹为主，无法掌握裂纹萌生、扩展和断裂的全过程。但从疲劳裂纹的形成机理来看，微观裂纹发展成宏观裂纹再到临界破坏点是有一个扩展过程的，如果不把这个过程的试验数据用于试验件的寿命计算上，给直升机的准确定寿会带来一定的误差，这将会增加直升机的使用和维修成本，并最终将会直接影响直升机的飞行安全。因此，我们必须要引入一种能对疲劳裂纹进行实时监测的技术手段，如果他能在试验状态下实时发现疲劳试验件的破坏全过程，我们就能对关键部件或关键结构的疲劳定寿提供可靠、科学、全面的试验数据，为其准确定寿提供保障。超声波物位计通过对各种检测方法的技术分析我们发现，声发射技术满足我们的要求。他具有动态监测，预先警报和覆盖面大的特点。通过运用声发射技术，可以对正在试验中的动部件进行实时的监测，对疲劳破坏的萌生点、扩展速度和扩展时间都有较全面的了解。如果这一技术能够在疲劳试验中运用成功，将会给判定疲劳试验件是否破坏带来更准确、客观的依据，从而为直升机动部件和结构件的准确定寿提供科学的技术保障[5]。
1 声发射技术在疲劳试验中运用的原理
在疲劳试验中，构件在足够大的交变载荷的多次作用下，可能发生疲劳破坏。通常，在这种破坏之前，构件往往没有变形征兆，而是直接形成疲劳初始裂纹。在交变载荷的作用下，裂纹以一定的速率扩展，扩展是缓慢且不连续的，它随着应力水平的大小，时而持续时而停滞。随着裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，削弱到一定极限时，构件便突然断裂。超声波液位计因此，裂纹的形成和扩展在疲劳试验中是一种主要的有效声发射源。在试验件出现裂纹时，高度集中的多余能量被释放出来，形成声发射信号。裂纹形成后，在发展成为宏观裂纹之前，需要经过裂纹的缓慢扩展阶段。并且裂纹扩展所需的能量比裂纹形成时大得多（约100-1000倍），因此裂纹扩展产生的声发射信号比裂纹形成时更强。超声波测厚仪裂纹向前扩展一步，将积蓄的能量释放出来，裂纹尖端地区卸载，当裂纹扩展到接近临界裂纹长度时，试件就开始进入失稳扩展，继而快速断裂。这时产生的声发射强度更大，如断裂韧性实验中，就能产生人耳可听见的声音。由于裂纹形成和扩展都是一个不可逆的、突发的过程，只要裂纹形成或扩展就会在采集的信号中产生一个增量。通过对这种增量的对比分析，我们就能及时了解裂纹的发展动向，及时预测或捕捉试验件裂纹就成为可能[1-4]。
在试验过程中，通过声发射传感器，采集来自试验件的声信号，经过信号的剔噪处理，提取出有用的声发射信号。通过用各种声发射参数（这些参数包括有能量、幅度、振铃计数、事件计数、持续时间、上升时间、平均频率、绝对频率等，超声波清洗机其中比较重要的参数包括AE撞击数、事件数、AE幅值分布、AE能量分布等）对声发射信号进行表征，然后对这些声信号参数增量变化进行分析，我们就能预测裂纹的发展趋势，最终对试件是否破坏做出判断，并对裂纹的位置进行定位。
2 裂纹监测
2.1 监测对象
本次试验监测的对象是某型机防扭支架疲劳试验，加载载荷为拉－拉载荷，其加载图如图1所示。通过用声发射设备对疲劳试验过程实时监测，及时了解防扭支架的疲劳裂纹情况。经应力分析认为2个连接螺栓孔为应力集中点，产生裂纹的机率比较大，因此选择把螺栓孔作为主要裂纹监测点。
2.2 监测方法
由于疲劳裂纹的形成与扩展是一个持续的过程，洗片机为了能及时捕捉到裂纹的发生与扩展的全过程，我们采用的是连续实时监测方法，用声发射设备对试件的疲劳试验过程进行实时的连续监测。
2.3 声发射设备及参数设置
本次试验采用的声发射设备是PAC公司的24通道DiSP系统。由于试验件可布置传感器的位置非常有限（试验件宽度为100mm左右），因此只能布置2个声发射传感器。我们把传感器布置在如图1的位置，传感器与试件之间用耦合剂耦合，2个传感器之间的距离为50mm。由于只能布置2个传感器，因此只能采用线定位的方式对裂纹进行定位，这也给准确定位带来了很大的难度。
声发射技术能否成功应用，声发射各技术参数的设置是一关键因素，由于试验件材料和结构的不同，导致声发射参数必须随不同的试验件而改变。如何找到适合本次试验的声发射参数将是试验前要解决的第一个问题。为了找到合适的参数设置，我们通过用断铅摸拟声发射信号对设备参数进行多次调试，最后才初步设定声发射设备的各项参数如下：幅值门槛值设为40 dB，前放增益设为40 dB，峰值定义时间（PDT）设为300us，声发射事件定义时间（HDT）超声波液位计设为600us，撞击闭锁时间（HLT）设为1000us。Event Definition Value (事件定义值)设为50mm，Event Lockout Value（事件闭锁值）设为100mm，Overcal设为5。通过断铅试验计算出平均波速v为6×106mm/s(v=s/t s：传感器之间的距离；t:传感器接收信号的时差，可用线性显示模式读出，然后通过断铅试验校正得出平均波速)。
在试验过程中，试验夹具之间的摩擦噪声是我们要解决的第二个难题，因为夹具之间的摩擦噪声跟声发射信号的频率非常相似，只有尽可能多的剔除多余的噪声，才不会影响正常的裂纹声发射信号的接收。为了解决这个问题，我们通过调整前放增益和PDT、HDT、HLT等参数都没得到理想结果，最后发现调整幅值门槛值能有效减少噪声信号，但是幅值门槛调高了有用的裂纹声发射信号也将会被剔除在外，调得不够，噪声又不能有效剔除，超声波物位计怎么找到合适的门槛值，是又一个面临在我们面前必须要解决的问题。为了解决这个问题，我们先是通过机械方面去考虑，尽量减少夹具之间的间隙，减少夹具摩擦和撞击，然后通过在试验时用断铅试验模拟突发声发射信号，来调整幅值门槛值。经过多次试验，最后找到了一个比较合适的门槛值为45dB。从而解决了夹具摩擦噪声的干扰问题，为试验的顺利进行打下了很好的基础。
3 试验结果及分析
试验件在初始疲劳载荷加载时，声发射信号Hits数变化比较平稳，幅值较低（见图2），并且大部分的声发射信号的幅值都在45－55 dB之间（见图3）。由此我们可以推断，这些比较有规律的信号是由机械摩擦噪声引起的。
经过1.0×106次试验循环后，试验载荷升级。升级后声发射信号幅值有一定的上升（幅值范围在45－65dB之间），Hits数有所增加，但变化还是比较平稳，声发射能量值有比较大的上升。经分析认为是由于载荷加大摩擦加剧造成的。
继续0.115×106次试验循环后，2＃声发射传感器附近的位置Hits数有较明显的上升（见图4），靠近2＃声发射传感器的信号幅值（最大值）也有了快速的增加，超声波测厚仪最大值上升到90dB（见图5）。2＃声发射传感器接收到的信号能量也有了比较大的增加（见图6）。根据上述情况判断试验件可能出现了异常情况，我们对试验件进行表面裂纹检查（没有拆开孔连接），没有发现表面裂纹。当时我们判断声发射信号的变化可能是由试验台架上突然来的摩擦或撞击而引起的噪声信号。
继续试验，在此过程中，声信号一直很强，Hits数一直维持在增长较快速的水平，幅值最大值超过90 dB的次数明显增多（见图7），10分钟后我们对试验件进行了再一次的检查，发现在2＃传感器附近已经出现一条5mm长的裂纹（见图8）。
由于裂纹形成和扩展时都会产生很强的声信号，通过以上的试验结果分析我们可知，第一次声发射信号迅速上升时期，也即在0.115×106次试验循环时，疲劳裂纹可能就已经形成，由于被上加载板遮住，而没有能够及时发现。按此推算，在接下来的试验循环就应该算是裂纹的扩展期。通过运用裂纹扩展速率公式即Forman公式，我们就可以计算出裂纹的扩展速度。
声发射系统除了给出了裂纹萌生和扩展时间外，也给出裂纹的萌生点和扩展的方向。通过试验结果分析我们可知，2＃传感器接收的信号数量增长率一直比1＃传感器要多（见图4），高幅值高能量的信号也集中在2＃传感器附近。通过图5和图7分析我们可知，裂纹是从离2＃传感器10mm左右的距离开始，并由此向靠近2＃传感器一边扩展的。经试验件检查证明，声发射系统给出的裂纹位置和扩展方向都比较准确。
通过对第一件防扭支架疲劳试样裂纹监测采集的众多AE参数分析我们发现，Hits变化率、能量变化率和最大幅值这几个参数对于裂纹的发现有比较直观的反映。并且，在出现裂纹时其最大幅值信号为90dB左右。为了能在下一件试验件监测时减少工作强度，在接下来的另外几件防扭支架试验监测中我们设定了最大幅值超过90dB作为裂纹报警门槛，并结合Hits变化率、能量变化率这2个参数对试验件是否出现裂纹进行判断。通过这种方法，我们分别对另外2件防扭支架试验件的疲劳裂纹做出了准确预报。这说明利用幅值、Hits变化率、超声波清洗机能量变化率这3个参数对裂纹进行预警是可行的。
4 结论
通过应用声发射技术对疲劳试验件的实时监测，能及时发现疲劳试验裂纹的萌生和扩展过程，并能对裂纹进行初步定位，解决了长期困扰直升机疲劳试验的实时发现疲劳破坏点的问题。通过对一些声发射有效参数的具体量化后，声发射技术完全能够建立疲劳破坏的判断标准，为今后的直升机疲劳试验裂纹判断提供科学、客观、有效的判据。