飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)疲勞裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭佳，樊俊鈴，寧寧，李閔行，白生寶

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱部位、驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞性能、獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)的裂紋形成和裂紋擴(kuò)展壽命的重要方法和手段[1-4]。試驗(yàn)中的損傷檢測是獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷形成和損傷擴(kuò)展規(guī)律的重要手段，貫穿于試驗(yàn)的全過程，損傷及時識別是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵要素之一[5]。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的損傷識別主要采用目視檢測、超聲檢測、渦流檢測等傳統(tǒng)的無損檢測方法，試驗(yàn)中飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷主要以裂紋為主[6,7]。國內(nèi)研究人員也開展了基于導(dǎo)波、光纖光柵的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)[8,9]。但面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)損傷應(yīng)用時,由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、特征信號提取分析困難，存在事后診斷，尚不能滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裂紋早期、及時識別的需求，迫切需要發(fā)展損傷在線測量與早期預(yù)警技術(shù)[10-12]。

本文針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中對損傷及時發(fā)現(xiàn)、定位和監(jiān)控的迫切技術(shù)需求，提出了基于陣列式銀粉涂層的損傷檢測方法，開發(fā)了陣列式銀粉涂層裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的工程適用性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對基于銀涂層的結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測技術(shù)工程化和提升飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)損傷檢測技術(shù)能力應(yīng)用具有重要意義。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)用場景，為滿足試驗(yàn)，尤其是全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)中的多“熱點(diǎn)”和長時間監(jiān)測的應(yīng)用需求，損傷監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性、分布式、多通道等性能/功能。在基于銀涂層裂紋監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上，針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)應(yīng)用需求和要求，本系統(tǒng)采用分布式、多通道設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)。本系統(tǒng)測量物理量為高低電平信號，系統(tǒng)由上至下分別為輸入輸出模塊，接口電路模塊，64 路數(shù)據(jù)采集卡，信號分析與處理器及工控機(jī)。系統(tǒng)框架組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架組成圖

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由銀涂層傳感器，傳輸導(dǎo)線，數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)組成。裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

1.3 銀涂層監(jiān)測傳感器

銀涂層監(jiān)測傳感器是導(dǎo)體材料，將銀粉按照特定工藝方案，涂布在待測結(jié)構(gòu)表面，涂布在結(jié)構(gòu)上的銀粉形成預(yù)定設(shè)計(jì)形狀和尺寸的環(huán)路銀涂層傳感器。其監(jiān)測原理為：當(dāng)結(jié)構(gòu)被測位置發(fā)生裂紋時，由于結(jié)構(gòu)裂紋的張力，使得銀涂層傳感器環(huán)路發(fā)生斷路，測量銀涂層傳感器通斷路，既可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋的監(jiān)測。銀粉涂層可以看作是對被監(jiān)測基體裂紋敏感的導(dǎo)電傳感器，它能夠最簡單直接的判斷裂紋的有無，第一時間發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生并報(bào)警。銀粉涂層傳感器的形狀和尺寸可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定制，不受結(jié)構(gòu)材料、形狀和尺寸的限制。

1.4 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

PCI-1733 數(shù)據(jù)采集卡，它是一款提供32 路隔離數(shù)字量輸入卡，具有很寬的輸入范圍，適合于很多供電電源12VDC 和24VDC 的工業(yè)應(yīng)用場景。1733 是一款PCI的總線卡，所有與總線相關(guān)的配置，都是由軟件自動完成的，無須進(jìn)行開關(guān)設(shè)置。圖3為板卡的ID設(shè)置及管腳圖。PCI-1733 提供32 路數(shù)字量輸入接口通道，每個接口通道均可接收（5~30）V 范圍內(nèi)的電壓輸入量，每8 個接口通道共用一個外部地線接口。

圖3 系統(tǒng)軟件界面

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況布線，通道多并且監(jiān)測點(diǎn)分散時，系統(tǒng)采用區(qū)域前置模塊實(shí)現(xiàn)與多個陣列傳感器的連接，前置模塊與系統(tǒng)主機(jī)間可采用有線或者無線通訊，前置模塊的應(yīng)用降低了通訊電纜帶來的附加重量和空間占用，一臺主機(jī)可實(shí)現(xiàn)同時對多個區(qū)域的在線檢測。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)處理及診斷程序模塊和監(jiān)測結(jié)果存儲和實(shí)時顯示程序組成，軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中采用G 語言。軟件系統(tǒng)各模塊程序功能為：數(shù)據(jù)采集程序模塊—采集高低電平信號，儲存到相應(yīng)的板卡通道中；數(shù)據(jù)處理及診斷程序模塊—將采集到的高低電平量轉(zhuǎn)換為指示燈顯示，診斷出異常并報(bào)警顯示；監(jiān)測結(jié)果存儲和實(shí)時顯示程序組成儀器程序—將裂紋長度數(shù)據(jù)保存至制定路徑，擬合成曲線并顯示。

2.1 軟件系統(tǒng)程序開發(fā)

數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理采用生產(chǎn)者與消費(fèi)者模式，生產(chǎn)者只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)不丟失，比較費(fèi)時的數(shù)據(jù)處理與界面顯示讓消費(fèi)者去處理，未能及時處理的數(shù)據(jù)保存在隊(duì)列中。

1）事件圖

用于處理界面中的各種按鈕的響應(yīng)工作。其中包括開始、停止、復(fù)位、板卡資源的選擇、菜單的響應(yīng)、顯示切換等功能。

2）數(shù)據(jù)采集

通過DAQ 對各通道的DI（IO 的通斷）數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)存放至隊(duì)列中以供數(shù)據(jù)處理線程使用。

3）數(shù)據(jù)處理

從隊(duì)列中獲取各通道的數(shù)據(jù)，根據(jù)對數(shù)據(jù)的判斷，在界面上進(jìn)行顯示，斷開則該通道顯示為紅燈，未斷開該通道顯示為綠燈，同時根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與時間進(jìn)行曲線顯示。

2.2 軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)疲勞裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)有32 通道采集單元模塊，每個模塊控制1 個通道采集信息。為了使系統(tǒng)軟件具有良好的操作性和友好的人機(jī)交互性，每個通道模塊設(shè)置有裂紋產(chǎn)生警示燈報(bào)警、通道初始裂紋設(shè)置、實(shí)時裂紋信息顯示、裂紋擴(kuò)展波形圖顯示和歷史數(shù)據(jù)存儲框，系統(tǒng)軟件介面如圖3 所示。

3 系統(tǒng)工程應(yīng)用驗(yàn)證

本文以飛機(jī)機(jī)身壁板環(huán)向?qū)硬考囼?yàn)件為應(yīng)用對象，監(jiān)測試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)廣布疲勞裂紋擴(kuò)展情況，對結(jié)構(gòu)疲勞裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行工程驗(yàn)證。

定時。種苗培育飼料投喂是關(guān)鍵，嚴(yán)格按照固定的時間投喂有利于魚類盡快形成攝食習(xí)慣，便于魚群集中等候。要求少量多餐，一般推薦一天投喂次數(shù)不少于四餐。即早上第一次投喂8：00-9：00，第二次10：00-11：00；下午第一次投喂14：00-15：00，第二次17：00-18：00。

該試驗(yàn)件通過加載端部的螺栓孔與夾具進(jìn)行連接，試驗(yàn)件1 個長桁間距截面面積為258 mm2，試驗(yàn)件總橫截面面積為2 004 mm2，試驗(yàn)中疲勞峰值載荷為147 682 N。疲勞試驗(yàn)中施加等幅譜載荷，最大載荷為147 682 N，應(yīng)力比R=0.06，計(jì)劃進(jìn)行180 000 次循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行至100 000 次循環(huán)時，驗(yàn)件鉚釘連接區(qū)域出現(xiàn)裂紋，此時應(yīng)用銀涂層裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)對該裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)控。

監(jiān)測區(qū)域?yàn)樵撛囼?yàn)件鉚釘連接區(qū)域，鉚釘兩端已產(chǎn)生初始裂紋，在結(jié)構(gòu)鉚釘兩端分別涂布陣列式銀涂層傳感器，傳感器寬度一毫米以內(nèi)，中心間距4 mm，銀涂層傳感器安裝及連接如圖4 和圖5 所示。

圖4 銀涂層傳感器安裝示意圖

圖5 銀涂層傳感器接線圖

對構(gòu)疲勞裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)置，各通道裂紋預(yù)警長度設(shè)置如表1 所示。

表1 裂紋預(yù)警長度設(shè)置表

完成銀涂層傳感器的安裝和系統(tǒng)調(diào)試后，試驗(yàn)啟動，此時因?yàn)殂y涂層傳感器涂布裂紋上，監(jiān)測系統(tǒng)通道4、通道5 和通道8 警示燈同時變紅并報(bào)警，如圖6 所示。這頁證明此試驗(yàn)中銀涂層傳感器安裝有效，具有良好的隨附損傷性能。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警顯示圖

試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行100 500 次循環(huán)載荷時，監(jiān)測系統(tǒng)通道9 指示燈變紅并報(bào)警，如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)中監(jiān)測系統(tǒng)通道9 報(bào)警

試驗(yàn)進(jìn)行到101 500 此循環(huán)時，通道3 指示燈變紅并報(bào)警。立即停止試驗(yàn)，用滲透法對通道3 檢測區(qū)域進(jìn)行無損檢測。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，通道3 傳感器監(jiān)測鉚釘左側(cè)裂紋長度25 mm，右側(cè)裂紋長度23 mm，與系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果一致，裂紋滲透檢測結(jié)果如圖8 所示。證明銀涂層傳感器對裂紋敏感性強(qiáng)，監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警功能良好，在疲勞試驗(yàn)中采用該系統(tǒng)，輔助開展結(jié)構(gòu)損傷檢測，可以較好地試驗(yàn)結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測和及時預(yù)警。

4 結(jié)論

本文面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種陣列式銀粉涂層裂紋在線測量與預(yù)警系統(tǒng)軟硬件，并以飛機(jī)常見金屬疲勞裂紋為對象，開展了系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證。通過應(yīng)用驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

2）該系統(tǒng)能夠識別金屬結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展并及時報(bào)警，在試驗(yàn)輔助無損檢測進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測，提高檢測效率，加速試驗(yàn)進(jìn)度。

3）裂紋擴(kuò)展監(jiān)測的精度和靈敏度取決于銀涂層本身的寬度和陣列間的寬度。對飛機(jī)結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測，銀涂層傳感器的寬度可涂布在0.5 mm 左右，間距在2 mm 以內(nèi)，可以滿足結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裂紋監(jiān)測精度要求，同時傳感器涂布工藝具有較高的操作性和一致性。

4）該系統(tǒng)監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)裂紋精度可達(dá)1 mm，靈敏度為4 mm。監(jiān)測精度和靈敏度可通過工藝參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)可進(jìn)一步提高。

圖8 實(shí)際裂紋圖

5）鍍銀層傳感器涂布工藝要求要，大面積應(yīng)用還需對鍍銀層傳感器進(jìn)行工程化封裝改進(jìn)。