飛機鉚接壁板疲勞損傷的聲發射檢測

黃華斌，彭智偉，王竹林，徐 矛

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

壁板鉚接是飛機上機身和機翼等大型整體壁板的主要連接方式，鉚接主要出現在蒙皮長桁與蒙皮框連接區域。壁板鉚接工藝成熟,制造過程簡單，可大幅降低結構制造成本，在現代民用飛機整體壁板制造中獲得了廣泛的應用[1-2]。為保障鉚接壁板在飛行中的安全性，需要通過壁板疲勞試驗獲得鉚接壁板的疲勞特性，了解可能出現損傷的部位、損傷產生和擴張的過程,那么如何獲得鉚接壁板的疲勞特性就成為急需解決的關鍵問題之一。

常規的無損檢測方法如渦流、滲透和超聲等都是在靜態情況下進行的，即在結構卸載情況下才能進行且無法監測疲勞裂紋萌生并監控裂紋擴展的整個過程。

聲發射(AE)是一種動態損傷監控技術，可實時連續有效地監測結構在加載狀態下的微觀運動(如裂紋萌生、裂紋擴展、結構斷裂、滲漏等產生的聲發射信號)。該技術適用于監控大型復雜結構關鍵部位的裂紋萌生和擴展[3]，如瑞典薩博(SAAB)的JAS-39飛機采用某聲發射系統成功地完成了整機靜力試驗的聲發射研究，取得了滿意的效果[4]。美國空軍用聲發射技術對F111飛機的疲勞裂紋進行了監測，亦取得了一定的成果[5]。同時，國內耿榮生等[6]在某型飛機的疲勞試驗中，成功采用聲發射技術對裂紋萌生進行了監測。筆者所在單位也在多個型號飛機的疲勞試驗中進行了聲發射技術監測，監測到了部分裂紋。

筆者在飛機機身鉚接壁板結構疲勞性能試驗中用聲發射技術監控壁板鉚接區域，利用聲發射參數分析技術，揭示了疲勞裂紋萌生和擴展過程及所對應的聲發射信號特征，研究了鉚接壁板的抗疲勞開裂性能，為評定結構剩余壽命和強度提供依據,為飛機壁板的設計和制造工藝的制定提供依據。

1 試驗參數設置

1.1 疲勞試驗參數

壁板為鉚接結構，蒙皮材料為2024-T351鋁合金，長桁、框的材料為7050-T7451鋁合金，整體壁板疲勞試件包含蒙皮、長桁、框緣條等，鉚接區域分為蒙皮與框緣條兩層鉚接和蒙皮、框緣條與長桁三層鉚接區域。兩長桁間距為520 mm。疲勞試驗在疲勞試驗機上進行，壁板加載通過長桁來傳遞載荷，試驗使用常幅載荷譜，其中最大載荷Pmax=23.5 kN,最小載荷Pmin=1.5 kN,加載頻率f=3 Hz。

1.2 傳感器布置

傳感器的布置位置通常根據應力分析結果合理選取。通過應力分析確定了蒙皮、框緣條與長桁三層鉚接區域為應力集中區域，鉚接區的鉚釘孔邊為應力集中部位。壁板上有2個應力集中區域，在每個區域布置2個傳感器，間距200 mm，可以覆蓋所有鉚接區兩側各4排鉚釘孔，傳感器1,2,3,4的布置位置如圖1所示。

圖1 壁板試驗聲發射傳感器布置示意

1.3 信號采集參數設置

聲發射監測疲勞裂紋的主要困難在于疲勞試驗過程中的大量機械、振動、電磁噪聲干擾。噪聲主要來自于結構在疲勞載荷下的位移和摩擦、試驗件的振動、設備的電磁噪聲等，這些噪聲信號幅度大且頻率分布廣，使得微弱的疲勞裂紋萌生、擴展產生的聲發射信號容易被淹沒。為了減少噪聲的影響，試驗采用了空間濾波和噪聲特征參數濾波相結合的方法。

空間濾波是將兩個探頭組成一組，形成線定位，以兩個探頭之間的信號作為有效信號，排除其它區域信號的濾波方式。通過將聲發射信號來源控制在兩個傳感器之間，達到排除不相關信號的濾波目的。

噪聲特征參數濾波是利用噪聲的聲發射信號特征參數進行濾波。如大量機械、振動噪聲信號的頻率較低，可設置高通頻率濾波器濾去大多數此類噪聲，電磁噪聲干擾的幅值及平均有效電平較低，可設置高通幅值及平均有效電平濾波器濾去大多數此類噪聲。

設置參數時要盡量多地采集疲勞相關信號并減少噪聲的影響，二者之中以盡量多采集疲勞相關信號為主，避免疲勞裂紋信號被濾波手段濾除。設置參數時還應通過斷鉛模擬聲發射信號對設備進行參數調試。試驗設定聲發射設備的各項參數如下：一組探頭間距為200 mm；采集幅值門檻值為40 dB;前放增益為40 dB;峰值定義時間為400 ms;聲發射事件定義時間為1 000 ms;撞擊閉鎖時間為1 200 ms。

2 聲發射信號分析

2.1 聲發射信號處理技術

目前，聲發射信號分析的方法包括基于參數分析的聲發射信號處理技術和基于波形分析的聲發射信號處理技術兩類。

波形分析技術是根據所記錄的時域波形來獲取有關聲發射源信息的一種方法。該方法數據信息全面、詳細，但圖形處理的數據量較大，對設備的能力要求較高，實時性較差。參數分析技術是基于諧振式AE傳感器輸出信號的參數數據進行分析來獲取有關聲發射源信息的一種方法。常用的參數有計數、振鈴數、能量、事件、事件率、撞擊(或稱波及)數、上升時間、脈沖持續時間和幅度分布等。該方法圖形處理的數據量少，對設備要求較低，分析方式簡單、直觀，分析速度快，實時性好，且便于監測人員掌握。

考慮到監測工作的實時性和數據處理工作的時效性，此次試驗采用參數分析技術進行聲發射信號分析。

2.2 聲發射信號分析結果

在壁板疲勞試驗中，通過對采集的主要聲發射信號特征參數進行趨勢分析、空間定位分析、疲勞裂紋特征參數濾波組合分析，分析結果如下。

(1) 事件數趨勢分析。圖2所示為3-4傳感器定位組采集的聲發射信號事件的趨勢曲線。從圖2中的歷程和趨勢來看，事件數平穩增長，并沒有發現疲勞裂紋產生和擴展時出現的突變。

圖2 3-4傳感器定位組事件數隨時間變化曲線

圖3 濾波后3-4傳感器定位組事件數隨時間變化曲線

(2) 濾波后事件數趨勢分析。圖3所示為對3-4傳感器定位組采集的聲發射信號事件采用幅度、上升時間、頻率等組合參數濾波獲得的趨勢曲線。從圖3可以看出，傳感器3和4的信號事件數在14 000 s之前緩慢增長沒有發現突變，處于從屈服到裂紋形成的過程中，此階段應為無疲勞裂紋階段；約14 000 s時傳感器3和4的信號事件數急劇上升，說明結構材料內部狀態發生變化，很可能萌生裂紋，此拐點應為疲勞裂紋產生而出現的突變；14 00016 000 s間，事件急劇上升，此階段應為疲勞裂紋由微觀裂紋向宏觀裂紋快速擴展階段；16 000 s后，信號為事件平穩上升，此階段應為宏觀疲勞裂紋穩定擴展階段。

圖4 濾波后3-4傳感器定位組事件能量隨時間實時變化曲線

(3) 信號能量和幅值實時分析。為驗證上述分析結果，進一步進行了能量和幅值實時分析。圖4為濾波后3-4傳感器定位組事件能量隨時間的實時變化曲線，發現信號能量在14 000 s時急劇上升，高于之前的20多倍，符合裂紋萌生時的信號能量特征。之后也出現多次相對較小的能量上升，符合裂紋擴展時的信號能量特征。濾波后3-4傳感器定位組事件幅值隨時間的實時變化曲線如圖5所示，由圖5可見，從14 000 s至試驗結束，出現了大量幅度在6075 dB之間的信號，符合裂紋穩定擴展時的信號幅度特征。

(4) 空間定位分析。以上分析表明在傳感器3和4附近已存在損傷，并且處于緩慢擴展期。再次進行定位分析,其結果如圖6所示，可以看出信號集中位于傳感器3和4之間偏向傳感器4一側。

圖5 濾波后3-4傳感器定位組事件幅值隨時間實時變化圖

圖6 濾波后3-4傳感器定位組事件定位曲線

`(5) 無損檢測驗證。首先對該區域進行渦流檢測，在傳感器3和4連線下方中間偏向傳感器4一側發現一條裂紋(見圖7)，證實判斷正確。隨后在清洗涂層后，經滲透檢測確定該裂紋長度為46 mm。

圖7 3-4傳感器連線下方裂紋

3 結論

采用聲發射技術對飛機鉚接壁板疲勞操作進行監測試驗，結果表明聲發射技術能夠獲得壁板結構疲勞裂紋的萌生和擴展信息，并得到以下結論。

(1) 聲發射監測要合理選擇監測部位，應將探頭布置在可能產生損傷的區域周圍。

(2) 可采用空間濾波和噪聲特征參數濾波相結合的方法，濾除疲勞試驗過程中的大多數機械、振動、電磁噪聲干擾。

(3) 采用聲發射信號特征參數進行趨勢分析，空間定位分析和疲勞裂紋特征參數組合濾波分析，能獲得疲勞裂紋萌生的時間及其擴展的情況。

(4) 鉚接壁板疲勞過程中的薄弱區域不在壁板長桁和框緣條鉚釘孔邊，而是出現在壁板長桁和框緣條鉚接區旁壁板蒙皮鉚釘孔邊。