CN105651857A - 一种飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种结构疲劳损伤监控方法，涉及一种动态的、实时的疲劳损伤监控方法。该监控方法是利用A型超声波对飞机连接结构进行疲劳损伤动态、实时监控方法。利用该发明不仅可对飞机连接结构进行准确的静态损伤检测，而且可对飞机连接结构进行有效的疲劳损伤动态、实时监控。工程实际证明该方法是切实可行。飞机连接结构是指螺栓连接和铆钉连接的平板飞机结构。

Description

一种飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法

技术领域

本发明属于一种飞机连接结构疲劳损伤监控方法，特别是涉及一种“动态、实时”疲劳损伤的监控方法，该方法通过对A行超声波传感器进行选波、选频、选角度等试验，使之适用于飞机板孔连接结构，如常用螺接、铆接板件结构的疲劳损伤动态、实时监控。

背景技术

一般来说飞机结构大多采用铆钉或螺栓连接，因此这些连接孔也就成了主要的疲劳裂纹源，一旦这些疲劳细节(孔)在飞机服役过程中出现裂纹，就会对飞机安全运行造成很大威胁，因此，迫切需要对这些结构细节损伤进行实时、动态监控，以便掌控损伤出现的时间及大小，及时采取应对措施，避免损伤达到临界尺寸造成灾难性破坏。

一般来说飞机结构损伤检测多在静态(停止运行、停止试验)进行，关于动态损伤监控技术，目前此方面具有代表性方法为光纤裂纹检测法(见图1)及声发射检测法(见图2)等。光纤裂纹检测法在结构监测中需要知道缺陷(裂纹出现)确切位置及走向，光纤需垂直于裂纹方向粘贴，否则需要光纤全部贴满整个构件表面，不适合复杂连接结构的动态损伤监测，而声发射法需要了解构件受力的原始资料，且排除噪音问题仍是不易解决的难题。因此说，以上两种方法使用上都有一定限制，人为因素影响大(与人经验有关)，而本专利提供的A型超声波动态、实时监控方法，对监控连接件孔边一窄条带状区域定向收、发、脉冲波信号，通过观察回波信号位置确定具体损伤位置，不接收噪音信号(与声发射法比的优点)，一个传感器可监控到200mm-300mm长、一个晶片尺寸宽的一条带状区域(不需要向光纤检测法布满整个构件表面)，且可准确定位，给现场应用带来很大可能性。试验(使用)过程中随时发现缺陷，可以使缺陷及时得以修复，就能保证结构运行(试验)安全性，同时也保证试验数据的有效性、可靠性。

发明内容

发明目的：是提供一种试验现场或使用过程中可行的飞机连接结构疲劳损伤的动态、实时监控方法。

本发明的技术方案：第一步确定传感器

该传感器为可调频超声波传感器；

对传感器波形的选择：传感器发出的超声波能够在飞机的板件结构中横向或锯齿形传播。A型超声波分纵波、横波、表面波等，相应的传感器也分为多种，从横波检测原理图(图3)可看出，斜探头(传感器晶片倾斜一定角度)超声波发射具有一定的倾斜角，且横波可在板状试件内锯齿形传播，因此可以用横波斜探头来检查板件孔边裂纹。因横波可以据齿形传播，所以对螺帽下、孔上下面均可检测，可用一次波检测下表面裂纹，二次波检测上表面裂纹。表面波仅对表面缺陷敏感。本专利采取板波(在板中传播的弹性波)来进行裂纹的监控。。

对传感器频率的选择：要求使得激励脉冲持续时间长些，经过试验，本专利选探头频率为4.5～5.5MHz，其中5MHz效果最好。

对传感器晶片尺寸的选择：为了易于激起板波，晶片尺寸应大些，但探头尺寸又受试件结构尺寸的限制，综合考虑本专利选直径为φ13.5～14.5mm，其中优选为φ14mm。

对传感器入射角的选择：在使用透声斜楔以横波入射法在板中激发板波时，为得到较强的发射，传感器的入射角α可由下式确定：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{C_l}{C_P}$

C_l——透声斜楔中横波传播速度；

C_P——在板材中所激起的板波的传播速度模式。

通过试验，将上述的传感器(可变角探头5P8×120°-70°)放在试块上，如图4所示；探头垂直指向贴放在试块上，且位于试块的非边缘区域，以避免产生盲区或边界效应。在120°-70°范围内改变入射角(每次可增加5°或10°)，记录板端反射波高和入射角关系。对同一厚度板材可以得到一系列数据，绘成曲线，对不同厚度板材可以得到不同厚度系列数据，绘出一族曲线，选取反射波最高时的入射角。如针对厚度3mm的铝合金板材，频率5MHz，入射角40°时，反射波幅高，波束窄，灵敏度高。

按照上述要求制作可调频超声波传感器。

第二步：将通过以上步骤制作出的超声波传感器，在所需要监控的连接板件结构上进行布阵，用耦合剂进行耦合，用硅橡胶或其别方法将传感器固定在被监测连接件上，连接传感器与多通道超声仪，即可对被监控连接件铆钉孔边或螺栓孔边疲劳损伤进行动态、实时监控。

本发明的有益效果：

1)本专利提供的超声波动态、实时监控技术，能实时的使结构出现较小缺陷被发现，使缺陷及时得以修复，以保证结构运行(试验)安全性，同时也保证试验数据的有效性、可靠性。

2)损伤部位的实时跟踪监控可以满足结构损伤容限设计要求，为飞机结构制定检查大纲提供依据，使疲劳、意外形成的裂纹在发现之前不会扩展至临界尺寸，避免形成灾难性破坏。并可针对每一个主要结构件建立一个常规检查门槛值。

附图说明

图1现有技术的光纤裂纹检测示意图；

图2现有技术的声发射检测原理图；

图3本发明的横波检测板状结构上、下面缺陷原理图；

图4本发明的传感器入射角选择图；

图5本发明步骤实施的流程图；

其中：1传感器；2板孔连接件；3板孔连接件的孔。

具体实施方式

具体的实施例方法包括如下步骤：

第一步确定传感器，该传感器为可调频超声波传感器，

对传感器波形的选择：传感器发出的超声波能够在飞机的板件结构中横向或锯齿形传播，

对传感器频率的选择：探头频率为4.5～5.5MHz，特别为5MHz；

对传感器晶片尺寸的选择：直径为φ13.5～14.5mm，使得易于激起板波，优选为φ14mm；

对传感器入射角的选择：在使用透声斜楔以横波入射法在板中激发板波时，为保证较强的发射，传感器的入射角α由下式确定：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{C_l}{C_P}$

C_l——透声斜楔中横波传播速度；

C_P——在板材中所激起的板波的传播速度模式。

将上述的传感器放在试块上，传感器的探头垂直指向贴放在试块上，且位于试块的非边缘区域，以避免产生盲区或边界效应，在70°-120°范围内改变入射角(每次可增加5°或10°)，记录板端反射波高和入射角关系，对同一厚度板材得到一系列数据，绘成曲线，当涉及不同厚度板材时，对不同厚度板材得到不同厚度的系列数据，绘出一族曲线，选取反射波最高时的入射角，

按照上述要求制作可调频超声波传感器；

第二步：将通过以上步骤制作出的超声波传感器，在所需要监控的板孔连接件上进行布阵，用耦合剂进行耦合，用硅橡胶将所述传感器固定在被监测的板孔连接件上，连接传感器与多通道超声仪，对被监控的板孔连接件上的铆钉孔边或螺栓孔边的疲劳损伤进行动态实时的监控。

飞机连接件螺接结构疲劳试验过程中损伤的超声波动态实时监控结果，见表1

表1疲劳试验裂纹监控记录表

Claims (4)

1.一种飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法，该方法包括如下步骤：

第一步确定传感器，该传感器为可调频超声波传感器，

对传感器波形的选择：传感器发出的超声波能够在飞机的板件结构中横向或锯齿形传播，

对传感器频率的选择：探头频率为4.5～5.5MHz，，

对传感器晶片尺寸的选择：直径为φ13.5～14.5mm，使得易于激起板波，

对传感器入射角的选择：在使用透声斜楔以横波入射法在板中激发板波时，为保证较强的发射，传感器的入射角α由下式确定：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{C_l}{C_P}$

C_l——透声斜楔中横波传播速度；

C_P——在板材中所激起的板波的传播速度模式；

将上述的传感器放在试块上，传感器的探头垂直指向贴放在试块上，且位于试块的非边缘区域，以避免产生盲区或边界效应，在70°-120°范围内改变入射角，记录板端反射波高和入射角关系，对同一厚度板材得到一系列数据，绘成曲线，当涉及不同厚度板材时，对不同厚度板材得到不同厚度的系列数据，绘出一族曲线，选取反射波最高时的入射角，

按照上述要求制作可调频超声波传感器；

第二步：将通过以上步骤制作出的超声波传感器，在所需要监控的板孔连接件上进行布阵，用耦合剂进行耦合，用硅橡胶将所述传感器固定在被监测的板孔连接件上，连接传感器与多通道超声仪，对被监控的板孔连接件上的铆钉孔边或螺栓孔边的疲劳损伤进行动态实时的监控。

2.如权利要求1所述的飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法，其特征在于：传感器频率的选择为5MHz。

3.如权利要求1所述的飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法，其特征在于：传感器晶片尺寸的选择为φ14mm。

4.如权利要求1所述的飞机板孔连接结构疲劳损伤的动态实时监控方法，其特征在于：在70°-120°范围内改变入射角，且每次可增加5°或10°。