楊鵬飛，付夢(mèng)思，王 毅

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2．北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

1 引 言

疲勞破壞一直是危害飛機(jī)安全的一個(gè)重要因素，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部位或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋具有十分重要的意義[1]。在全機(jī)疲勞試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受試驗(yàn)場(chǎng)地限制，日常主要采用目視檢查方法，這容易導(dǎo)致裂紋發(fā)現(xiàn)不及時(shí)以及出現(xiàn)漏檢的情況。本文針對(duì)某型飛機(jī)的全機(jī)疲勞試驗(yàn)，研發(fā)一種裂紋主動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，并將其應(yīng)用于該項(xiàng)疲勞試驗(yàn)，成功地檢測(cè)出機(jī)身主框多處裂紋。

2 裂紋應(yīng)變檢測(cè)原理

應(yīng)變是物體在外力作用下產(chǎn)生變形的一種量化表征。在了解材料的物理屬性后，通過測(cè)量物體表面某部位的應(yīng)變值就能計(jì)算出該區(qū)域所承受載荷的大小。所以，通常在全機(jī)靜力/疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中通過監(jiān)控試驗(yàn)件受載后的應(yīng)變來判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于疲勞試驗(yàn)件的金屬結(jié)構(gòu)，裂紋主要出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。無論是裂紋萌生還是裂紋生長(zhǎng)階段，在出現(xiàn)裂紋區(qū)域的周邊小范圍內(nèi)，其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)都會(huì)發(fā)生改變。因此，對(duì)于疲勞試驗(yàn)件中某些結(jié)構(gòu)不可達(dá)部位的裂紋監(jiān)測(cè)，需關(guān)心裂紋附近所貼應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變值的變化，從概率論以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的角度出發(fā)，并結(jié)合疲勞試驗(yàn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，找出每個(gè)應(yīng)變片在不同載荷工況下的應(yīng)變基準(zhǔn)值。

由于試驗(yàn)過程中的加載及測(cè)量有誤差，因此，應(yīng)變測(cè)量值與基準(zhǔn)值之差Δε為隨機(jī)變量?？紤]到試驗(yàn)過程中某些其它微小的不確定因素，可認(rèn)為Δε服從正態(tài)分布，即Δε-N(0,σ2)，其中σ2為方差，由試驗(yàn)確定[2]。

如果某區(qū)域的|Δεi|>0，即認(rèn)為這一區(qū)域第i次測(cè)量時(shí)裂紋出現(xiàn)的置信概率Pi較高，隨后可利用無損檢測(cè)技術(shù)做進(jìn)一步的檢測(cè)。

3 裂紋應(yīng)變檢測(cè)方法

3.1 確定裂紋檢測(cè)區(qū)域

對(duì)疲勞試驗(yàn)測(cè)量任務(wù)書中給出的重點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要是應(yīng)力集中及高載部位，以確定裂紋出現(xiàn)的高發(fā)區(qū)域及裂紋監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。在試驗(yàn)過程中，還需根據(jù)實(shí)際測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)的大小及變化范圍，調(diào)整應(yīng)變片的監(jiān)測(cè)區(qū)域，并通過計(jì)算分析，逐步確定裂紋監(jiān)測(cè)的主要區(qū)域。對(duì)于不可達(dá)區(qū)域，通過對(duì)其附近可粘貼應(yīng)變片區(qū)域的應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，判斷是否有裂紋出現(xiàn)。

3.2 選取監(jiān)測(cè)載荷工況

選取監(jiān)測(cè)載荷工況的原則為：該應(yīng)變監(jiān)測(cè)區(qū)域仿真分析受力最大的5～10個(gè)載荷工況。對(duì)于出現(xiàn)頻次較高的工況，每個(gè)起落測(cè)量一次；出現(xiàn)頻次少于起落數(shù)的，每出現(xiàn)一次測(cè)量一次。

3.3 確定監(jiān)控應(yīng)變片

對(duì)于疲勞試驗(yàn)，其應(yīng)變片粘貼數(shù)量一般和靜力試驗(yàn)全機(jī)工況測(cè)量數(shù)量相同，主要用于在試驗(yàn)前確定試驗(yàn)件的狀態(tài)是否滿足試驗(yàn)要求，以及在疲勞試驗(yàn)期間不定期檢查試驗(yàn)件狀態(tài)。另外一部分為跟蹤測(cè)量應(yīng)變片，通過前期靜力試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，篩選出跟蹤測(cè)量的應(yīng)變片。

3.4 確定監(jiān)控片基準(zhǔn)值

疲勞試驗(yàn)開始前，以事先確定好的監(jiān)測(cè)載荷工況作為應(yīng)變測(cè)量工況，得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在不同載荷工況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同一工況需重復(fù)8～10次，取其測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該測(cè)量點(diǎn)在該監(jiān)測(cè)載荷工況下的應(yīng)變基準(zhǔn)值。

3.5 確定監(jiān)控片誤差區(qū)間

得到監(jiān)控應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除其中特別大和特別小的數(shù)據(jù)(主要由應(yīng)變片損壞導(dǎo)致)。然后將測(cè)量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得每個(gè)監(jiān)控應(yīng)變片的相對(duì)誤差范圍δi。根據(jù)幾年來多個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裂紋應(yīng)變檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，并考慮各種因素，正常情況下監(jiān)控片誤差區(qū)間(應(yīng)變測(cè)量值與基準(zhǔn)值相對(duì)誤差)|δi|<20%。

3.6 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

如果|δi|≥σ，Pi≈0.688。

如果|δi|≥2σ，Pi≈0.955。

如果|δi|≥3σ，Pi≈0.997。

為了能夠盡早發(fā)現(xiàn)裂紋，可以采取較低的置信概率，即當(dāng)某區(qū)域監(jiān)測(cè)應(yīng)變片相對(duì)基準(zhǔn)的誤差|δi|≥20%(置信概率P1=68%)時(shí)，檢測(cè)該片區(qū)是否出現(xiàn)裂紋。如果沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，可逐步放大該監(jiān)測(cè)應(yīng)變片的誤差，提高置信概率，直到該監(jiān)測(cè)應(yīng)變片誤差|δi|≥60%(置信概率P3=99%)時(shí)，做進(jìn)一步檢測(cè)。

3.7 確定裂紋

首先由試驗(yàn)人員利用手電筒、放大鏡等簡(jiǎn)易工具對(duì)監(jiān)測(cè)應(yīng)變片區(qū)域進(jìn)行目視檢查，然后再由無損檢測(cè)人員使用專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備確定裂紋。

4 應(yīng)用實(shí)例

某型飛機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)，根據(jù)靜態(tài)譜測(cè)量選定20039載荷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以此為依據(jù)計(jì)算各應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的基準(zhǔn)值，成功檢測(cè)到了機(jī)身主框結(jié)構(gòu)多處裂紋。

(1)某框順航向右下側(cè)孔邊裂紋LS-144，長(zhǎng)度17mm，檢測(cè)時(shí)間12345.4FH(如圖1、圖2所示)。

圖2 裂紋位置

(2)某框左下側(cè)方孔邊裂紋LS-146，長(zhǎng)度8mm，檢測(cè)時(shí)間12500FH(如圖3、圖4所示)。

圖3 裂紋處應(yīng)變變化曲線

圖4 裂紋位置

(3)某框梁緣條裂紋LS-160，長(zhǎng)度8mm，檢測(cè)時(shí)間13364.6FH(如圖5、圖6所示)。

圖5 裂紋處應(yīng)變變化曲線

圖6 裂紋位置

5 結(jié) 論

該裂紋檢測(cè)技術(shù)成功地解決了不可達(dá)部位的裂紋檢測(cè)及監(jiān)測(cè)問題，確保裂紋的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極大提升了裂紋檢測(cè)的能力。