應用聲發射技術實時監測某型直升機防扭支架疲勞試驗裂紋

摘 要：通過應用聲發射技術，及時捕捉疲勞裂紋形成和擴展的過程，給判定疲勞試驗件是否破壞帶來更準確、客觀的依據，從而能為直升機動部件和結構件的準確定壽提供一種科學的輔助手段。
關鍵詞：聲發射；直升機防扭支架；監測疲勞裂紋
0 前言
直升機關鍵部件或關鍵結構的疲勞破壞一直是危及直升機安全的一個重要因素。現階段，預防疲勞破壞的有效方法之一就是進行疲勞試驗，從而給出直升機的飛行壽命。因此，在疲勞試驗時準確獲取疲勞試驗件的破壞過程對直升機的疲勞定壽有著十分重要的意義。目前，在我國的直升機疲勞試驗中，疲勞試驗件是否破壞主要以試驗人員目視檢查試驗件出現裂紋為主，無法掌握裂紋萌生、擴展和斷裂的全過程。但從疲勞裂紋的形成機理來看，微觀裂紋發展成宏觀裂紋再到臨界破壞點是有一個擴展過程的，如果不把這個過程的試驗數據用于試驗件的壽命計算上，給直升機的準確定壽會帶來一定的誤差，這將會增加直升機的使用和維修成本，并最終將會直接影響直升機的飛行安全。因此，我們必須要引入一種能對疲勞裂紋進行實時監測的技術手段，如果他能在試驗狀態下實時發現疲勞試驗件的破壞全過程，我們就能對關鍵部件或關鍵結構的疲勞定壽提供可靠、科學、全面的試驗數據，為其準確定壽提供保障。超聲波物位計通過對各種檢測方法的技術分析我們發現，聲發射技術滿足我們的要求。他具有動態監測，預先警報和覆蓋面大的特點。通過運用聲發射技術，可以對正在試驗中的動部件進行實時的監測，對疲勞破壞的萌生點、擴展速度和擴展時間都有較全面的了解。如果這一技術能夠在疲勞試驗中運用成功，將會給判定疲勞試驗件是否破壞帶來更準確、客觀的依據，從而為直升機動部件和結構件的準確定壽提供科學的技術保障[5]。
1 聲發射技術在疲勞試驗中運用的原理
在疲勞試驗中，構件在足夠大的交變載荷的多次作用下，可能發生疲勞破壞。通常，在這種破壞之前，構件往往沒有變形征兆，而是直接形成疲勞初始裂紋。在交變載荷的作用下，裂紋以一定的速率擴展，擴展是緩慢且不連續的，它隨著應力水平的大小，時而持續時而停滯。隨著裂紋的擴展，構件截面逐步削弱，削弱到一定極限時，構件便突然斷裂。超聲波液位計因此，裂紋的形成和擴展在疲勞試驗中是一種主要的有效聲發射源。在試驗件出現裂紋時，高度集中的多余能量被釋放出來，形成聲發射信號。裂紋形成后，在發展成為宏觀裂紋之前，需要經過裂紋的緩慢擴展階段。并且裂紋擴展所需的能量比裂紋形成時大得多（約100-1000倍），因此裂紋擴展產生的聲發射信號比裂紋形成時更強。超聲波測厚儀裂紋向前擴展一步，將積蓄的能量釋放出來，裂紋尖端地區卸載，當裂紋擴展到接近臨界裂紋長度時，試件就開始進入失穩擴展，繼而快速斷裂。這時產生的聲發射強度更大，如斷裂韌性實驗中，就能產生人耳可聽見的聲音。由于裂紋形成和擴展都是一個不可逆的、突發的過程，只要裂紋形成或擴展就會在采集的信號中產生一個增量。通過對這種增量的對比分析，我們就能及時了解裂紋的發展動向，及時預測或捕捉試驗件裂紋就成為可能[1-4]。
在試驗過程中，通過聲發射傳感器，采集來自試驗件的聲信號，經過信號的剔噪處理，提取出有用的聲發射信號。通過用各種聲發射參數（這些參數包括有能量、幅度、振鈴計數、事件計數、持續時間、上升時間、平均頻率、絕對頻率等，超聲波清洗機其中比較重要的參數包括AE撞擊數、事件數、AE幅值分布、AE能量分布等）對聲發射信號進行表征，然后對這些聲信號參數增量變化進行分析，我們就能預測裂紋的發展趨勢，最終對試件是否破壞做出判斷，并對裂紋的位置進行定位。
2 裂紋監測
2.1 監測對象
本次試驗監測的對象是某型機防扭支架疲勞試驗，加載載荷為拉－拉載荷，其加載圖如圖1所示。通過用聲發射設備對疲勞試驗過程實時監測，及時了解防扭支架的疲勞裂紋情況。經應力分析認為2個連接螺栓孔為應力集中點，產生裂紋的機率比較大，因此選擇把螺栓孔作為主要裂紋監測點。
2.2 監測方法
由于疲勞裂紋的形成與擴展是一個持續的過程，洗片機為了能及時捕捉到裂紋的發生與擴展的全過程，我們采用的是連續實時監測方法，用聲發射設備對試件的疲勞試驗過程進行實時的連續監測。
2.3 聲發射設備及參數設置
本次試驗采用的聲發射設備是PAC公司的24通道DiSP系統。由于試驗件可布置傳感器的位置非常有限（試驗件寬度為100mm左右），因此只能布置2個聲發射傳感器。我們把傳感器布置在如圖1的位置，傳感器與試件之間用耦合劑耦合，2個傳感器之間的距離為50mm。由于只能布置2個傳感器，因此只能采用線定位的方式對裂紋進行定位，這也給準確定位帶來了很大的難度。
聲發射技術能否成功應用，聲發射各技術參數的設置是一關鍵因素，由于試驗件材料和結構的不同，導致聲發射參數必須隨不同的試驗件而改變。如何找到適合本次試驗的聲發射參數將是試驗前要解決的第一個問題。為了找到合適的參數設置，我們通過用斷鉛摸擬聲發射信號對設備參數進行多次調試，最后才初步設定聲發射設備的各項參數如下：幅值門檻值設為40 dB，前放增益設為40 dB，峰值定義時間（PDT）設為300us，聲發射事件定義時間（HDT）超聲波液位計設為600us，撞擊閉鎖時間（HLT）設為1000us。Event Definition Value (事件定義值)設為50mm，Event Lockout Value（事件閉鎖值）設為100mm，Overcal設為5。通過斷鉛試驗計算出平均波速v為6×106mm/s(v=s/t s：傳感器之間的距離；t:傳感器接收信號的時差，可用線性顯示模式讀出，然后通過斷鉛試驗校正得出平均波速)。
在試驗過程中，試驗夾具之間的摩擦噪聲是我們要解決的第二個難題，因為夾具之間的摩擦噪聲跟聲發射信號的頻率非常相似，只有盡可能多的剔除多余的噪聲，才不會影響正常的裂紋聲發射信號的接收。為了解決這個問題，我們通過調整前放增益和PDT、HDT、HLT等參數都沒得到理想結果，最后發現調整幅值門檻值能有效減少噪聲信號，但是幅值門檻調高了有用的裂紋聲發射信號也將會被剔除在外，調得不夠，噪聲又不能有效剔除，超聲波物位計怎么找到合適的門檻值，是又一個面臨在我們面前必須要解決的問題。為了解決這個問題，我們先是通過機械方面去考慮，盡量減少夾具之間的間隙，減少夾具摩擦和撞擊，然后通過在試驗時用斷鉛試驗模擬突發聲發射信號，來調整幅值門檻值。經過多次試驗，最后找到了一個比較合適的門檻值為45dB。從而解決了夾具摩擦噪聲的干擾問題，為試驗的順利進行打下了很好的基礎。
3 試驗結果及分析
試驗件在初始疲勞載荷加載時，聲發射信號Hits數變化比較平穩，幅值較低（見圖2），并且大部分的聲發射信號的幅值都在45－55 dB之間（見圖3）。由此我們可以推斷，這些比較有規律的信號是由機械摩擦噪聲引起的。
經過1.0×106次試驗循環后，試驗載荷升級。升級后聲發射信號幅值有一定的上升（幅值范圍在45－65dB之間），Hits數有所增加，但變化還是比較平穩，聲發射能量值有比較大的上升。經分析認為是由于載荷加大摩擦加劇造成的。
繼續0.115×106次試驗循環后，2＃聲發射傳感器附近的位置Hits數有較明顯的上升（見圖4），靠近2＃聲發射傳感器的信號幅值（最大值）也有了快速的增加，超聲波測厚儀最大值上升到90dB（見圖5）。2＃聲發射傳感器接收到的信號能量也有了比較大的增加（見圖6）。根據上述情況判斷試驗件可能出現了異常情況，我們對試驗件進行表面裂紋檢查（沒有拆開孔連接），沒有發現表面裂紋。當時我們判斷聲發射信號的變化可能是由試驗臺架上突然來的摩擦或撞擊而引起的噪聲信號。
繼續試驗，在此過程中，聲信號一直很強，Hits數一直維持在增長較快速的水平，幅值最大值超過90 dB的次數明顯增多（見圖7），10分鐘后我們對試驗件進行了再一次的檢查，發現在2＃傳感器附近已經出現一條5mm長的裂紋（見圖8）。
由于裂紋形成和擴展時都會產生很強的聲信號，通過以上的試驗結果分析我們可知，第一次聲發射信號迅速上升時期，也即在0.115×106次試驗循環時，疲勞裂紋可能就已經形成，由于被上加載板遮住，而沒有能夠及時發現。按此推算，在接下來的試驗循環就應該算是裂紋的擴展期。通過運用裂紋擴展速率公式即Forman公式，我們就可以計算出裂紋的擴展速度。
聲發射系統除了給出了裂紋萌生和擴展時間外，也給出裂紋的萌生點和擴展的方向。通過試驗結果分析我們可知，2＃傳感器接收的信號數量增長率一直比1＃傳感器要多（見圖4），高幅值高能量的信號也集中在2＃傳感器附近。通過圖5和圖7分析我們可知，裂紋是從離2＃傳感器10mm左右的距離開始，并由此向靠近2＃傳感器一邊擴展的。經試驗件檢查證明，聲發射系統給出的裂紋位置和擴展方向都比較準確。
通過對第一件防扭支架疲勞試樣裂紋監測采集的眾多AE參數分析我們發現，Hits變化率、能量變化率和最大幅值這幾個參數對于裂紋的發現有比較直觀的反映。并且，在出現裂紋時其最大幅值信號為90dB左右。為了能在下一件試驗件監測時減少工作強度，在接下來的另外幾件防扭支架試驗監測中我們設定了最大幅值超過90dB作為裂紋報警門檻，并結合Hits變化率、能量變化率這2個參數對試驗件是否出現裂紋進行判斷。通過這種方法，我們分別對另外2件防扭支架試驗件的疲勞裂紋做出了準確預報。這說明利用幅值、Hits變化率、超聲波清洗機能量變化率這3個參數對裂紋進行預警是可行的。
4 結論
通過應用聲發射技術對疲勞試驗件的實時監測，能及時發現疲勞試驗裂紋的萌生和擴展過程，并能對裂紋進行初步定位，解決了長期困擾直升機疲勞試驗的實時發現疲勞破壞點的問題。通過對一些聲發射有效參數的具體量化后，聲發射技術完全能夠建立疲勞破壞的判斷標準，為今后的直升機疲勞試驗裂紋判斷提供科學、客觀、有效的判據。