基于超聲導波的飛行器密封質(zhì)量檢測方法

高東岳，徐穎珊，郭健，龐冬晫

(1.中山大學 航空航天學院， 廣州 510275； 2.北京空天技術研究所， 北京 100074)

為了安裝和維修設備、加注燃料與冷卻劑，飛行器結構上開設了許多的窗口或口蓋，這些口蓋與結構口框之間通過螺栓提供預緊力，并利用密封墊、密封膠等技術手段進行密封[1]。用彈性體密封材料，例如密封墊(圈、片、條等密封件)進行密封，可拆卸，便于更換，是最普遍使用的密封技術。但由于固體密封填充縫隙的性能隨時間老化，在長期用于有溝槽和孔洞、表面粗糙、表面不平整等部位時可能會影響防水效果。因此評價口蓋界面密封條件，進而對口蓋密封質(zhì)量進行控制，成為口蓋設計與維護的重要環(huán)節(jié)[2-3]。

基于超聲導波的損傷診斷方法具有檢測能量集中，傳感器網(wǎng)絡尺寸小、質(zhì)量小、便于大面積布置等優(yōu)點，在航空航天結構健康監(jiān)測與壽命預測領域受到廣泛關注[4-5]。超聲導波信號特征對結構連接的界面質(zhì)量非常敏感，文獻[6-8]從理論和實驗兩方面研究了超聲波與非理想界面的相互作用。由于超聲導波在結構健康監(jiān)測中的潛在應用，研究人員已經(jīng)開展了涉及檢測多種類型缺陷(如疲勞裂紋、脫膠等)與導波相互作用機理的數(shù)值、分析和實驗研究[9-10]。

近年來，通過分析超聲導波信號特征變化來表征接觸面質(zhì)量的思路，被認為是檢測接觸狀態(tài)的一種潛在的有效方法，而獲得大量研究[11]。Balvantn A J等[8]發(fā)現(xiàn)，蘭姆波的群速度信號特征與固體接觸之間的界面條件之間存在相關性，并利用蘭姆波傳播參數(shù)對非理想接觸條件進行了數(shù)值計算和實驗研究。結果發(fā)現(xiàn)，在設定的試驗條件下預緊力每增加5MPa，信號傳播速度就隨之降低0.5 mm/ms。Stefano Carrino[12]等發(fā)現(xiàn)，在單搭接節(jié)點結構中，接觸面質(zhì)量問題可以造成特定頻率下的超聲導波信號能量衰減。

口蓋密封依靠口蓋-密封條-口框接觸中密封條變形填補表面空隙，預緊力來自螺栓連接，因此，其密封質(zhì)量與密封條質(zhì)量和預緊力相關。本文針對口蓋密封連接形式基于超聲導波信號到達時間與能量特征提出密封質(zhì)量評價因子與圖像化顯示方法，并將該方法應用于飛行器艙體密封性能檢測，艙體淋雨密封質(zhì)量檢測實驗驗證了該方法的有效性，診斷結果與實際情況完全吻合。本研究提出的方法對口蓋，艙門類結構密封類構建的密封狀態(tài)監(jiān)測技術具有實際應用價值。

1 基于導波信號特征的密封質(zhì)量表征方法

導波在結構的傳播過程分為3個階段：激發(fā)、傳播和接收。以壓電晶片傳感器收發(fā)導波為例，能量完成了電能-傳感器動能-結構動能-傳感器動能-電能的傳遞過程[13-15]。

首先，電壓信號借助傳感器的逆壓電效應，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯淖冃巍Ｔ谡辰訉拥鸟詈献饔孟拢瑐鞲衅鲬儌鬟f到結構中，完成了超聲導波的激發(fā)，根據(jù)剪力滯效應的描述，結構中剪應力分布為：

(1)

以S0模態(tài)導波為例，在結構中的應變εplate為：

(2)

式(2)中：Gplate為板的剪切模量；kS為對稱(S0)模態(tài)導波數(shù)；DS(kS)、NS(kS)，分別為S0模態(tài)導波傳遞變量。

超聲導波信號被激發(fā)傳感器從電壓形式轉(zhuǎn)化為應變形式，然后以彈性波形式在結構中傳播，最終，能量從以接收傳感器應變轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過分析電壓信號可以對導波能量傳播路徑上的結構健康狀況進行評價。式(1)和(2)描述了激發(fā)傳感器將自身能量傳遞給結構的過程。

應變從傳感器傳遞到板中，傳播距離X之后，其能量按e-kX衰減：

(3)

根據(jù)文獻研究結果[16-17]，口蓋密封性能與密封條彈性、預緊力等因素相關。其中，密封條彈性影響結構阻尼導致導波能量衰減性能，最終變化影響導波信號能量(E)；而預緊力變化影響結構等效剛度導致結構作為導波的載體頻散特性發(fā)生變化從而影響導波信號的到達時間(TOF)。

為了表征口蓋周圍不同位置的密封質(zhì)量，在口蓋與口框上布置傳感器網(wǎng)絡。利用激發(fā)傳感器將超聲導波能量引入口蓋結構，能量通過口蓋-密封條-口框傳遞到接收傳感器位置，被轉(zhuǎn)化為電信號，這個能量傳遞的過程被稱為信號路徑。每條信號路徑的信號特征表征該激發(fā)——接收傳感器連線上的密封質(zhì)量。本文分別將路徑的導波信號能量E與信號到達時間TOF對平均值的偏差作為衡量該路徑受密封質(zhì)量影響的評價因子，其計算方法如下所示。

(4)

式中：μE與μTOF分別為傳感器網(wǎng)絡中所有路徑導波平均信號能量與到達時間；E(i)與TOF(i)分別為傳感器網(wǎng)絡中第i條路徑的導波信號能量與信號到達時間。

為了實現(xiàn)信號路徑對密封區(qū)域的全覆蓋，本研究針對飛行器口蓋結構形式設計兩套分布式傳感器陣列，并將其分別布置在口蓋與艙體上，以口框上的對應傳感器作為信號收發(fā)傳感器。將前文提到的到達時間(TOF)、信號能量(E)的評價因子作為衡量路徑上的口蓋密封質(zhì)量的參數(shù)。基于超聲導波信號特征的密封質(zhì)量表征方法流程如圖1所示。

圖1 基于超聲導波的密封質(zhì)量監(jiān)測方法流程框圖

完成網(wǎng)絡收發(fā)信號之后，首先計算平均信號能量與到達時間，然后計算各路徑的TOF與E評價因子，并將其歸一化處理。根據(jù)研究經(jīng)驗，歸一化評價因子大于0.2的路徑既被認定為密封缺陷位置。

2 實驗設計

為了驗證本研究提出的超聲導波技術對于大尺寸口蓋密封質(zhì)量檢測的有效性，在口蓋艙體實驗件上進行了基于超聲導波的口蓋密封性檢測實驗。

試驗試件為某型號飛行器艙體典型部件及其口蓋。在口蓋和艙體上分別布置傳感器，其中沿著艙體軸向在口蓋上布置10個傳感器(編號為1#～10#)，其間隔為100 mm，在艙體周向左右對應位置各布置一對傳感器(左側(cè)標號為a#，右側(cè)標號為b#)，在口框尾部頂點位置各布置兩個接收傳感器(標號為c#和d#)，口蓋上的激發(fā)傳感器與對應的口框接收傳感器之間的距離為150 mm。壓電傳感器采用直徑為8 mm，厚度為0.45 mm的壓電陶瓷圓片傳感器。口蓋-艙體口框試件與分布式傳感器網(wǎng)絡如圖2所示。

在安裝傳感器之前需要對試件表面進行打磨處理。按照設計位置，將傳感器網(wǎng)絡利用環(huán)氧樹脂粘接劑與結構相耦合，再焊接信號傳輸線路，是傳感器形成網(wǎng)絡，每個傳感器表面都用硅橡膠進行防水處理。

激勵信號為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦信號，其中心頻率為300 kHz，在這個頻率下，S0模態(tài)導波信號被抑制。信號采樣頻率為24 MHz，采樣點數(shù)量為4 000點。螺栓的預緊力由扭力扳手控制。實驗設備與試件如圖3(b)所示。

圖2 口蓋密封性檢測實驗試件示意圖

圖3 基于超聲導波的口蓋密封性檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理框圖及實驗設備與試件

將口蓋大部分螺栓的基準預緊力設為10N，口蓋10#傳感器附近的3個螺栓的預緊力被設置為2 N，5#傳感器附近的左側(cè)螺栓的預緊力被設置為2 N；將3#傳感器附近的左側(cè)密封條切斷制造接觸不良損傷。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

利用口蓋上的傳感器陣列激發(fā)超聲導波，口框上相對應位置的傳感器接收信號。發(fā)現(xiàn)與平均水平相比，10#-10c#、10d#路徑與5#-5b#路徑的信號出現(xiàn)明顯的到達時間縮短，3#-3b#路徑的信號幅值及其能量更高。

以路徑5#-5b#與相鄰路徑之間的信號對比結果為例說明預緊力對導波信號的影響。

如圖4所示，與路徑4#-4a#、路徑6#-6a#相比，路徑5#-5b#的A0模態(tài)超聲導波到達時間更短，分析結果顯示，其速度提高了2.16 mm/ms。通過對比路徑3#-3b#與相鄰路徑之間的信號，闡述路徑上密封條連續(xù)性對導波信號的影響。基于到達時間的質(zhì)量評價因子為0.144。

圖4 不同預緊力路徑的導波信號曲線

如圖5所示，與路徑2#-2b#、路徑4#-4b#相比，路徑3#-3b#的超聲導波信號幅值與能量更高，這是由于相同預緊力條件下，不受密封條阻尼衰減的信號路徑可以更有效地傳遞能量。此處基于能量的評價因子為0.329。基于時間與能量的歸一化評價因子如圖6所示。

圖5 不同密封條完整性路徑的導波信號曲線

圖6 歸一化評價因子直方圖

如圖6所示，5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路徑的基于到達時間的質(zhì)量系數(shù)高于0.2；而3#-3b#路徑的基于能量的質(zhì)量系數(shù)高于0.2。說明5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路徑附近出現(xiàn)螺栓松動，3#-3b#路徑附近出現(xiàn)密封條不連續(xù)損傷，損傷識別結果與設置情況相吻合。隨后將艙段試件推入淋雨室中進行水密性試驗(見圖7)。在淋雨實驗中，降雨量設為4 mm/min，淋雨時間為40 min。淋雨試驗結束后，打開口蓋發(fā)現(xiàn)雨水已經(jīng)從艙尾10#傳感器附近滲入艙體。該位置3個螺栓松動，造成密封不良，3#、5#傳感器位置也出現(xiàn)不同程度的滲水。

圖7 淋雨試驗

3個螺栓松動與密封條不連續(xù)所造成的滲水點與歸一化評價因子超標結果吻合。證明了基于超聲導波信號特征的密封質(zhì)量檢測方法的有效性。

4 結論

提出了一種基于超聲導波信號特征的密封質(zhì)量檢測方法，該方法可以定位密封缺陷位置并區(qū)分密封缺陷類型。針對超聲導波信號受密封性能的影響，基于信號到達時間(TOF)與能量(E)差異兩種特征提出兩種衡量密封質(zhì)量的評價因子。這兩種因子分別代表了預緊力缺失與密封條損傷兩種密封缺陷。通過口蓋淋雨水密性檢測實驗，驗證了基于分布式壓電傳感器和超聲導波的密封缺陷診斷技術在口蓋密封性檢測領域的實用性。

結果顯示：

1) 螺栓松動位置的超聲導波信號信號到達時間(TOF)更長。

2) 密封條不連續(xù)位置的信號能量更高。