杜金強(qiáng), 何宇廷, 李培源

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)裝備的載體，是飛機(jī)在使用期限內(nèi)滿足規(guī)定功能和任務(wù)需求的基礎(chǔ)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，若機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的疲勞裂紋不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故[1]。長期以來，無損檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)使用維護(hù)中發(fā)揮著極其重要的作用，但隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、使用強(qiáng)度不斷增加、服役使用壽命不斷延長，僅依靠傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)難以保證飛機(jī)使用安全[2]。結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)可顯著提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性，開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，對(duì)保證飛行安全具有重要意義[3]。

電渦流檢測(cè)技術(shù)適用于大多數(shù)導(dǎo)電材料的損傷檢測(cè)，具有使用范圍廣、易于與結(jié)構(gòu)集成、能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞裂紋檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[4～6]。而目前大部分飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)，顯然電渦流檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。

一種矩形渦流陣列傳感器可用于金屬結(jié)構(gòu)裂紋的定量檢測(cè)，精度約為1 mm。但是在裂紋檢測(cè)過程中，提離效應(yīng)往往會(huì)對(duì)裂紋檢測(cè)產(chǎn)生影響。本文通過建立矩形渦流陣列傳感器的有限元模型，分析了傳感器對(duì)提離距離的響應(yīng)特性，并搭建模擬裂紋檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，研究了提離距離對(duì)傳感器裂紋檢測(cè)能力的影響。

1 用于裂紋檢測(cè)的矩形渦流陣列傳感器

矩形渦流陣列傳感器由一個(gè)激勵(lì)線圈和多個(gè)均勻分布于激勵(lì)線圈兩側(cè)的感應(yīng)線圈構(gòu)成，如圖1所示[7]。檢測(cè)裂紋時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電流的作用下，激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生周期性分布的電磁場(chǎng)，感應(yīng)線圈接收激勵(lì)場(chǎng)在檢測(cè)空間內(nèi)的反射場(chǎng)。其中對(duì)反射場(chǎng)影響最大的是感應(yīng)線圈覆蓋區(qū)域下材料的電磁特性參數(shù)和邊界條件。在其它條件不變的情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展到感應(yīng)線圈I的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，其輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展到感應(yīng)線圈II的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，其輸出信號(hào)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，通過檢測(cè)各感應(yīng)線圈的信號(hào)變化情況，結(jié)合感應(yīng)線圈的空間位置，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的定量檢測(cè)。

圖1 矩形渦流陣列傳感器

當(dāng)裂紋損傷進(jìn)入某感應(yīng)線圈的檢測(cè)區(qū)域時(shí)[8]，其輸出信號(hào)幅值開始快速增加(圖2中A點(diǎn))，隨著裂紋的擴(kuò)展，幅值持續(xù)增加；當(dāng)裂紋穿過該感應(yīng)線圈時(shí)，其輸出信號(hào)將趨于穩(wěn)定(圖2中B點(diǎn))。顯然通過算法撲捉A，B這2個(gè)特征點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)裂紋的定量檢測(cè)。但在某些因素影響下，當(dāng)A,B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅值差ΔU較小時(shí)，特征點(diǎn)的撲捉將變得相對(duì)困難，從而制約裂紋的檢測(cè)。因此，傳感器的裂紋檢測(cè)性能可以通過ΔU的大小來進(jìn)行衡量。

圖2 矩形陣列傳感器輸出信號(hào)的特征

2 提離響應(yīng)特性的有限元分析

1)傳感器的物理模型

渦流陣列傳感器的物理模型主要由渦流陣列傳感器和金屬平板組成，如圖1所示。被測(cè)金屬平板的材料為2A12—T4鋁合金，大小為30 mm×30 mm×4 mm(長×寬×厚)，在平板的上方放置了經(jīng)過簡化的渦流陣列傳感器，由一個(gè)激勵(lì)線圈和2個(gè)感應(yīng)線圈構(gòu)成，其中,線圈的材料為黃銅，線圈平面與被測(cè)金屬平板之間的間距為0.1 mm。

2)傳感器的有限元建模

有限元分析軟件ANSYS的Emag和Multiphysics模塊具有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析功能，可以進(jìn)行二維、三維穩(wěn)態(tài)、諧波和瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，能夠?qū)こ屉姶艌?chǎng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析[9]。本文運(yùn)用該軟件來建立模型，為了詳細(xì)反映空間的電磁場(chǎng)分布，建立了三維有限元模型。在建模過程中，采用SOLID97單元來表征鋁合金平板、線圈陣列和空氣域，采用CIRCU124單元施加外電路激勵(lì)(如圖3(a),(b)所示)。給平板、線圈和空氣域分別賦予不同的材料特性，然后劃分網(wǎng)格。為了保證計(jì)算精度，同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用六面體和四面體混合的網(wǎng)格劃分方法，最終建立的有限元模型如圖3(c)所示。

圖3 渦流陣列傳感器裂紋檢測(cè)的有限元模型

為了滿足ANSYS有限元仿真中區(qū)域必須為封閉區(qū)域的條件，給有限元模型中空氣域的外邊界加載了平行邊界條件。同時(shí)，通過外電路為激勵(lì)線圈加載了幅值為1A、歸一化頻率為0.3、初相位為0°的正弦激勵(lì)信號(hào),然后進(jìn)行諧波分析(采用Sparse求解器進(jìn)行求解);最后通過后處理模塊得到了磁矢位A在傳感器平面內(nèi)和橫截面內(nèi)的分布情況(如圖4所示)，可見磁矢位的分布關(guān)于激勵(lì)線圈導(dǎo)線中心對(duì)稱，在激勵(lì)線圈導(dǎo)線中間達(dá)到最大值，這與文獻(xiàn)[10]中的分析結(jié)果是一致的。

圖4 磁矢量位A的分布情況

3)傳感器對(duì)提離距離的響應(yīng)特性分析

對(duì)矩形陣列傳感器施加正弦激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)電流的幅值為1A，歸一化激勵(lì)頻率為0.3，初相位為0°。運(yùn)用建立的有限元模型，分析了提離距離分別為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7 mm時(shí)傳感器的輸出信號(hào)，由于各感應(yīng)線圈輸出信號(hào)相同，本節(jié)僅對(duì)感應(yīng)線圈I輸出信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行了分析，如圖5所示。

可見隨著提離距離的增加，傳感器輸出信號(hào)的幅值和相位信號(hào)均顯著增加。當(dāng)提離距離從0增加至0.7 mm時(shí)，幅值信號(hào)增加了約25 mV，增加幅度約為73.5 %；相位增加了約10°，增加幅度約為12.6 %，顯然矩形陣列傳感器對(duì)提離距離十分敏感。相比之下，矩形渦流陣列傳感器在裂紋檢測(cè)中，出現(xiàn)裂紋前后感應(yīng)電壓幅值的增加幅度也僅僅為5 %左右，顯然裂紋檢測(cè)過程中，提離效應(yīng)會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖5 矩形陣列傳感器在不同提離距離時(shí)的響應(yīng)特性

3 提離距離對(duì)傳感器裂紋檢測(cè)影響

1)模擬裂紋檢測(cè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在金屬板材上制作一條長的模擬裂紋，通過傳感器在試驗(yàn)件表面的平穩(wěn)相對(duì)滑動(dòng)來模擬裂紋的擴(kuò)展過程，如圖6所示。本文中所使用的金屬板材為2A12—T4鋁合金，試樣尺寸為190 mm×50 mm×4 mm，試樣的長度方向垂直于軋制方向，通過線切割在試樣中間位置制作了一條長為50 mm、寬度為0.2 mm的穿透裂紋。

圖6 裂紋擴(kuò)展的模擬過程

為實(shí)現(xiàn)對(duì)2A12—T4鋁合金裂紋的檢測(cè)，搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，完成信號(hào)發(fā)生、傳輸、采集、特征提取的全過程。裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器、矩形渦流陣列傳感器、多功能試驗(yàn)臺(tái)、信號(hào)采集系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)六大部分構(gòu)成。其中多功能試驗(yàn)臺(tái)主要由高精度數(shù)控三軸平移臺(tái)組成，用來驅(qū)動(dòng)傳感器在被檢材料表面平穩(wěn)移動(dòng)。將傳感器固定于多功能試驗(yàn)臺(tái)安裝座上，通過平移臺(tái)將傳感器壓緊于試驗(yàn)件表面，并給傳感器施加歸一化頻率為0.3的正弦激勵(lì)信號(hào)；然后將傳感器沿著裂紋長度方向移動(dòng)，模擬裂紋的擴(kuò)展過程，測(cè)量不同裂紋長度時(shí)傳感器各感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)(在裂紋檢測(cè)中，特征信號(hào)為幅值信號(hào)[8])。

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析

在傳感器和試驗(yàn)件之間放置不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)膜片，模擬不同提離距離的情形。本文分別對(duì)傳感器和試驗(yàn)件之間無提離、歸一化提離距離為0.5、歸一化提離距離為1的3種情況，進(jìn)行了模擬裂紋的檢測(cè)試驗(yàn)，裂紋每“擴(kuò)展”0.2 mm采集一次感應(yīng)線圈的幅值信號(hào)。鑒于傳感器各感應(yīng)線圈的輸出特性基本一致，僅對(duì)感應(yīng)線圈I的輸出特性進(jìn)行了分析，該感應(yīng)線圈可以對(duì)0～1 mm長的裂紋進(jìn)行檢測(cè)。為便于進(jìn)行不同提離距離時(shí)傳感器裂紋檢測(cè)性能的對(duì)比，定義渦流陣列傳感器感應(yīng)線圈I的幅值變化率為

(1)

式中rj為感應(yīng)線圈在裂紋長度為jmm時(shí)的輸出信號(hào)幅值，r0為感應(yīng)線圈在裂紋長度為0 mm時(shí)的輸出信號(hào)幅值。

圖7為不同提離距離時(shí)傳感器的裂紋檢測(cè)特性，其中圖7(a)為幅值變化率隨裂紋長度的變化情況，可見隨著裂紋的擴(kuò)展，感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)幅值逐漸增加，當(dāng)裂紋穿過感應(yīng)線圈的監(jiān)測(cè)區(qū)域后，幅值信號(hào)的增加幅度逐漸放緩，并在裂紋長度約為1.5 mm左右時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)，傳感器的信號(hào)不再明顯變化。在裂紋擴(kuò)展并穿過感應(yīng)線圈檢測(cè)區(qū)域的過程中，隨著提離距離的增加，幅值信號(hào)的增加幅度急劇減小。圖7(b)為在裂紋從0 mm擴(kuò)展至1 mm過程中，幅值變化幅度隨提離距離的變化情況，可見隨著提離距離的增加，幅值變化幅度急劇減小，相應(yīng)地裂紋檢測(cè)能力變?nèi)?，?dāng)歸一化提離距離增加至1時(shí)，裂紋檢測(cè)能力降低了約68.1 %。因此,在裂紋檢測(cè)過程中，必須盡量減小提離距離。

圖7 不同提離距離時(shí)傳感器的裂紋檢測(cè)特性

4 結(jié) 論

1)矩形渦流陣列傳感器對(duì)提離距離十分敏感，當(dāng)提離距離從0增加至0.7 mm時(shí)，幅值信號(hào)增加幅度約為73.5 %，

相位增加幅度約為12.6 %，因此,在裂紋檢測(cè)過程中要盡量抑制提離距離的波動(dòng)。

2)提離距離的增加會(huì)急劇地降低傳感器的裂紋檢測(cè)能力，當(dāng)歸一化提離距離從0增加至1時(shí)，裂紋的檢測(cè)能力降低了約68.1 %，因此,必須盡量減小提離距離。

參考文獻(xiàn):

[1] 杜洪增.飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與斷裂分析[M].北京：中國民航出版社，1996.

[2] 陳志偉,王 智.軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2005，27(3)：381-387.

[3] 袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4] 李家偉，陳積懋.無損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5] 韓亞利，陳 勇，周志平.應(yīng)用渦流電導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)評(píng)定鋁合金的熱損傷[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42(3)：37-40.

[6] 張思全，陳鐵群，劉桂雄.應(yīng)力腐蝕裂紋渦流檢測(cè)信號(hào)的處理及形狀重構(gòu)[J].核動(dòng)力工程，2008，29(6)：50-53.

[7] 焦勝博．基于渦流陣列傳感器的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)方案可行性研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(8):43-46.

[8] 杜金強(qiáng)．基于電磁渦流的飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．西安：空軍工程大學(xué)，2012.

[9] 閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[10] Nail Jay Goldfine.Uncalibrated,absolute property estimation and measurement optimization for conducting and magnetic media using imposedω-kmagnetometry[D].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,1990.