霍文輝

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西西安 710089)

1 引言

當前，許多軍用和民用飛機已接近或超過設(shè)計使用壽命，因腐蝕而增加的維護費用也越來越多。腐蝕性一直被認為是飛機老化過程中的致命威脅。因老化導致飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測能力不足，嚴重影響了民航、軍隊對飛機結(jié)構(gòu)安全性的控制[1]。飛機老化過程中，環(huán)境腐蝕嚴重威脅結(jié)構(gòu)安全。腐蝕損傷將導致飛機結(jié)構(gòu)材料斷裂韌度下降，嚴重影響飛機結(jié)構(gòu)完整性和損傷容限性能。針對這一問題，國內(nèi)外已有相關(guān)學者對飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測技術(shù)做出了研究。李鳳等人提出基于Miner算法的機結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析研究，采用miner疲勞壽命估算準則和Goodman直線修正法修正飛機結(jié)構(gòu)平均應力[2]。結(jié)合材料的S-N 曲線得到了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。Yang G 等人提出基于結(jié)構(gòu)應力的飛機環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析，通過拉伸和剪切疲勞試驗，獲得了不同材料、不同板厚和不同孔徑的環(huán)焊縫試件的疲勞壽命。采用殼單元和剛性單元建立了環(huán)形焊接的有限元模型[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)應力法計算了環(huán)形焊接結(jié)構(gòu)在拉剪載荷作用下的應力，得到疲勞壽命評定的S-N曲線方程。

上述方法均具有一定的有效性，但飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測準確率仍有進一步提升空間。渦流陣列傳感器逐漸成為渦流無損檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究熱點。渦流傳感器陣列結(jié)構(gòu)不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)渦流探測技術(shù)在探測空間的微觀擴展，而且能提高探測靈敏度，對檢測空間進行宏觀擴展，提高檢測速度。當前，渦流陣列傳感器已逐步應用于微細裂紋、核反應堆殼體裂紋、高溫部件表面裂紋、管柱異型以及大面積金屬表面裂紋的無損檢測和在線監(jiān)測等領(lǐng)域。結(jié)合飛機結(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測的實際需要，針對飛機結(jié)構(gòu)的金屬螺栓連接結(jié)構(gòu)，提出了基于渦流陣列傳感器的飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測方法，分析了該傳感器的工作特性及裂紋監(jiān)測方案的可行性。

2 渦流陣列傳感器

渦流陣列傳感器是一種由多個小型探頭線圈組成的陣列，它們密集地分布在一個開(閉)面或曲面上。渦流陣列傳感器按其檢測方法可分為兩類：采用單線圈檢測的渦流陣列和采用雙線圈方法的渦流陣列。該傳感器無需使用機械探針掃描就能實現(xiàn)大面積高速測量，可達到與單傳感器相同的測量精度和分辨率，可有效提高傳感器系統(tǒng)的測試速度、測量精度和可靠性。

由于渦流陣列傳感器半解析模型構(gòu)建過程十分復雜，因此，需先分析P截面處磁矢B與線電流密度K之間關(guān)系。不考慮位移電流變化情況，可推導出磁矢B的空間擴散方程，如下所示：

使用分離變量法在層狀介質(zhì)空間中，確定磁矢B的解析通解，計算公式如下所示：

上述公式中：B△，n、B0.n分別表示層狀介質(zhì)空間內(nèi)磁矢B在上下界面處的變換系數(shù)；λ表示勵磁在層狀介質(zhì)空間內(nèi)分布的波長；L表示層狀介質(zhì)空間厚度；μ表示層狀介質(zhì)空間磁導率；σ表示層狀介質(zhì)空間電導率；ω為電流變化周期，kx、ky分別表示磁矢的橫縱向量，ε表示層狀介質(zhì)空間介電常數(shù)[4]。

在層狀介質(zhì)空間內(nèi)由公式(2)可得：

上述公式中：Q表示磁場強度。

在層狀介質(zhì)空間厚度無窮大時，磁場強度和磁矢均能實現(xiàn)解耦，由此可得到P截面處的電磁場量邊界條件：

公式(6)、(7)中：Bz(x=P+)表示正向截面處磁矢；Qy(x=P+)表示正向截面處磁場強度；Qy(x=P-)表示反向截面處磁場強度；ρz(x=P)表示截面處線電流密度；Bz(x=P-)表示反向截面處磁矢。依據(jù)上述公式及電磁場量邊界條件處電磁場量，可以確定這正向截面處磁矢和正向截面處磁場強度在x=S截面處具體數(shù)值。

在x=S截面處，結(jié)合截面處線電流密度和反向截面處磁矢，可確定變換系數(shù)關(guān)系式：

公式(8)中，β(σ，L1)表示定變換系數(shù)項，其中L1表示提離距離，即渦流陣列傳感器與飛機結(jié)構(gòu)之間距離。提離距離大小決定了渦流陣列傳感器引發(fā)電磁場作用下的最優(yōu)工作頻率，該距離數(shù)值越大，則說明自動化監(jiān)測誤差越小[5]。

3 飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測

在確定渦流陣列傳感器β(σ，L1)表示定變換系數(shù)后，可獲取大量疲勞數(shù)據(jù)。雖然這些數(shù)據(jù)從表面上看是確定的，但實際上只是一種白化值，在同一數(shù)據(jù)狀態(tài)下，不同數(shù)據(jù)間缺乏確定關(guān)系信息，因此使用原始方法構(gòu)建的模型監(jiān)測精準度不高[6-8]。由于這些原始數(shù)據(jù)序列要求必須是光滑的，因此，需構(gòu)建疲勞壽命自動化監(jiān)測模型。

設(shè)s(0)為光滑原始數(shù)據(jù)序列，如果△gi=gi+1-gi，則說明光滑原始數(shù)據(jù)序列為等距序列：

如果△gi≠gi+1-gi，則說明光滑原始數(shù)據(jù)序列為非等距序列。將s(0)進行一次累加生成s(1)非等距序列，其計算公式如下所示：

其中

依據(jù)公式(10)在區(qū)間[gi，gi+1]上構(gòu)建微分方程，如下所示：

結(jié)合公式(11)可得：

設(shè)z(1)(gi+1)=s(1)(g)dg為s(1)(g)在區(qū)間[gi，gi+1]上背景值，則公式(12)可變?yōu)椋?/p>

根據(jù)渦流陣列傳感器運行機理可知，自動化監(jiān)測模型精度取決于變換系數(shù)，而變換系數(shù)取決于區(qū)間[gi，gi+1]上背景值。在整個監(jiān)測過程中，背景值取s(1)(gi)和s(1)(gi+1)的中點值，該模型在數(shù)據(jù)序列平穩(wěn)變化時，監(jiān)測誤差較小，保證該模型不會受到序列變化影響，大大降低監(jiān)測誤差，提高模型自動化監(jiān)測精度。

4 實驗分析

針對飛機實際結(jié)構(gòu)部件(機身和水平尾翼)，采用專用的疲勞壽命試驗平臺對實際飛機結(jié)構(gòu)進行了長期疲勞壽命試驗，取得了大量的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)。選擇飛機1000 飛行載荷譜中水平尾翼的載荷譜數(shù)據(jù)，對飛機水平尾翼疲勞壽命預測技術(shù)進行了研究。表1提供了飛機部分水平尾翼載荷的譜數(shù)據(jù)。

表1 飛機水平尾翼載荷譜數(shù)據(jù)

為驗證基于渦流陣列傳感器的飛行器結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動監(jiān)測系統(tǒng)研究的正確性和有效性，在MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)了該疲勞壽命預測模型的預測性能，渦流陣列傳感器3通道信號的統(tǒng)計結(jié)果見表2，3，4。

表2 第1通道信號統(tǒng)計

表3 第2通道信號統(tǒng)計

表4 第3通道信號統(tǒng)計

結(jié)果表明，在裂紋出現(xiàn)之前，其信號是穩(wěn)定的。裝入3000個循環(huán)后，接近半孔洞的傳感器第一通道輸出信號的幅度比開始升高。經(jīng)過300次連續(xù)加載后，第二通道信號開始上升，表明裂紋在這個時候已經(jīng)擴大到1mm。在連續(xù)加載300次之后，傳感器的第三通道信號開始上升，裂紋的長度達到2mm。從上述結(jié)果可以看出，附加的渦流傳感器對試件裂紋有定量監(jiān)測的能力，檢測精度可達1mm。該系統(tǒng)可實時、定量地監(jiān)測鋁合金結(jié)構(gòu)的裂紋損傷情況。

以文獻[2]、文獻[3]方法作為實驗對比方法，分析三種方法對飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測的準確率，得到實驗對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測準確率結(jié)果

如圖1所示，在9次實驗結(jié)果中，文獻[2]方法的飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測準確率平均值為78%，文獻[3]方法的飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測準確率平均值為67%，而所提方法的飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動化監(jiān)測準確率平均值為91%。實驗結(jié)果表明，所提方法的監(jiān)測準確率較高，能夠準確監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

5 結(jié)束語

利用半解析模型對基于渦流傳感器的飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命自動監(jiān)測的研究方法進行了分析，渦流陣列傳感器的感應通道和激勵通道的相位差和幅值比隨樣品的升離距離、電導率變化曲線是單調(diào)的，在小尺度空間中有很好的線性關(guān)系。電導率和發(fā)射距離變化不大，靈敏度低，波幅比變化大，靈敏度高，渦流陣列傳感器可以完全實現(xiàn)試樣的疲勞損傷監(jiān)測。