CN105738226A - 一种用于监测金属表面裂纹萌生及扩展的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种疲劳失效裂纹监测方法。疲劳失效是金属结构在使用过程中最基本和最主要的破坏模式，通常金属结构的疲劳裂纹是从结构表面萌生、扩展的，当裂纹扩展到一定长度时，将会引起飞机结构的破坏或带来灾难性的事故。本发明是在飞机金属结构表面易产生裂纹区域布置横向和纵向两层纳米级导电传感丝，利用电位监测原理及时准确地发现裂纹萌生及扩展，并能对裂纹扩展的每一步实现准确定位。

Description

一种用于监测金属表面裂纹萌生及扩展的方法

技术领域

疲劳失效是金属结构在使用过程中最基本和最主要的破坏模式，通常金属结构的疲劳裂纹是从结构表面萌生、扩展的，当裂纹扩展到一定长度时，将会引起飞机结构的破坏或带来灾难性的事故。本发明是在飞机金属结构表面易产生裂纹区域布置横向和纵向两层纳米级导电传感丝，利用电位监测原理及时准确地发现裂纹萌生及扩展，并能对裂纹扩展的每一步实现准确定位。

背景技术

电位法又称电位差法或电导法，其物理原理是基于金属的导电性。当电流从构件的被检测部位通过时，会产生一定的电流和电位场。当构件上出现裂纹时，电流和电位场也会随之发生变化，并且通过电位U的改变体现出来。裂纹的位置、形状和尺寸不同，它对被检测部位电流和电位场的影响也不同，相应的电位U的变化也不同。因此，电位差可以当作表征裂纹的位置与尺寸参数的函数，通过测量和分析电位差信号，即可对构件表面疲劳裂纹的产生和扩展情况进行监测。

下面以直流电位法为例，简要说明电位法检测裂纹的基本原理。

在图1a中，电极A和电极B称为电流电极或电流探针，一个给定的直流电流通过该对电极，在工件上产生电流场分布以及一个与材料的组成和结构特性有关的电位分布；通过另一对电极C和D可以检测某两点问的电位差，并在电压表上显示。在工件表面产生疲劳裂纹前后，分别以相同的电流加在工件的表面上，那么，电位差是一个裂纹长度的函数。从图1b中可看出，裂纹的存在破坏了材料的连续性，并引起电流和电位场的变化，此变化随着裂纹位置与长度的不同而有所不同。因此，可通过电位的变化来判断裂纹的产生和扩展情况。

图2为一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层、中层为导电薄膜结构的传感层、顶层为封装保护传感层的保护层，传感元各层的厚度均在微米级；微米传感元的形状由置于集体材料上的模板来控制，覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元的宽度根据实际需求进行调整，即传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹的长度。该发明通过设计微米传感元，基于电位监测的基本原理，在裂纹形成和扩展阶段进行电位检测，实现了对金属结构从塑形变形到疲劳裂纹萌生直至失稳断裂的疲劳损伤全程监测以及对结构多个关键位置的健康状态同时监测。

图2存在的不足之处有：

在裂纹萌生初期，当裂纹比较小或未扩展到传感丝的位置时将很难监测到。当裂纹扩展到断裂丝的位置时，该传感元也只能知道有裂纹事件的发生但并不能对裂纹进行精确定位。

图3是涉及一种疲劳裂纹监测系统，包括用于粘贴在监测部位的断裂丝组片、AD采集卡及后台计算机；断裂丝组片的每个断裂丝与对应的限流电阻串联构成的串联电路均并接在试验电源的两端，每个断裂丝两端均并联有对应的测试电阻。每个测试电阻的两端为电压采样点，每个电压采样点均连接一个AD采集卡通过数据输出端口连接后台计算机。该实用新型通过AD采集卡收集裂纹产生的准确时间，上传给后台计算机分析处理，以及断裂丝之间的间距以及与裂纹产生的角度信息计算出裂纹的扩展速度，对结构疲劳断裂进行更深入直观的研究。

图3存在的不足之处有(参见图4)：

断裂丝的粘贴只有一个方向，在监测过程中如果裂纹的扩展方向与断裂丝平行且在两根断裂丝之间，将无法监测到，如图中的裂纹1；裂纹的扩展过程中触及到断裂丝时，如图所示，不管是裂纹2还是裂纹3当扩展到断裂丝2时所监测到的信号是相同的，这就存在裂纹的定位的问题；当裂纹的扩展方向不同如图中的裂纹4和5，相继触及到断裂丝3和4时，经过AD采集卡只能记录到触及到断裂丝3和4的时间，如果不能知道裂纹的扩展角度就无法得出正确的裂纹扩展速率。

发明内容

本发明是针对上述现有技术存在的不足而提出的一种用于监测金属结构表面裂纹萌生及扩展的方法。其目的是及早准确地发现金属结构表面的裂纹萌生部位及扩展情况，并通过监测数据实现对金属结构表面裂纹在特定载荷形式下的发展情况进行更深入直观的研究。

该裂纹监测方法结合表面技术和电位监测原理，应用表面技术在结构表面易于出现裂纹的部位粘贴形状规则的传感丝网格，应用电位监测原理，实现对结构损伤裂纹的实时监测。

该裂纹监测系统基本组成部分如图8所示：纳米级导电断裂丝用于传导电流，其内部的导电断裂丝会随裂纹的扩展而断裂，外部的绝缘处理层主要实现电位监测信息与基体结构的有效隔离以及横向与纵向传感丝间电位信息间的有效隔离；微处理器用于记录并存储传感丝的状态参数(1表示通，0表示断)，如通断情况，断裂时间，断裂传感丝的编号等等；数据输出接口用于外界硬盘导出数据，以便于数据的后期分析处理。

该裂纹监测系统工作的具体步骤：

步骤一：将导电纳米传感丝外部进行绝缘处理后，以网格状的形式粘贴于被监测的金属构件表面，确保各传感丝正常工作，微处理器记录系统的初始状态参数；

步骤二：一旦金属构件表面产生裂纹，就会导致相应位置的传感丝的断裂，通过微处理器记录断裂时间，横、纵断裂传感丝的编号，从而确定裂纹的起裂时刻和起裂点位置；

步骤三：随着裂纹的进一步扩展，对于更多的横、纵传感丝产生的断裂，通过记录整个过程中传感丝网格的通断情况和断裂位置，从而实现对裂纹变化情况的实时监测；

步骤四：后期可通过系统的数据输出接口导出数据，通过相关软件平台，实现构件表面裂纹扩展的动态演示。

疲劳失效是金属结构在使用过程中最基本和最主要的破坏模式。该监测系统的提出，一方面可用于金属部件表面疲劳裂纹演化规律的机理性研究；另外一方面可作为试验中金属结构件的一种健康监测手段，为及时发现结构早期裂纹，开展预防性维修，确保金属结构的完整性提供帮助。

附图说明

图1是点位法检测裂纹基本原理；

图2是一种微米裂纹监测传感元；

图3是一种断裂丝式裂纹监测系统；

图4是裂纹扩展与电阻丝相对方向图；

图5是本发明传感丝内部结构；

图6是本发明传感丝布置图；

图7是本发明传感丝布置截面图；

图8是本发明监测原理图。

1.监测区域2.纵向传感丝3.横向传感丝4.微处理器5.数据输出接口

具体实施方式

本发明的用于监测金属表面裂纹萌生及扩展的方法，具体通过以下步骤实施。

步骤一：将导电纳米传感丝外部进行绝缘处理后，以网格状的形式粘贴于被监测的金属构件表面，确保各传感丝正常工作，微处理器记录系统的初始状态参数；

步骤二：一旦金属构件表面产生裂纹，就会导致相应位置的传感丝的断裂，通过微处理器记录断裂时间，横、纵断裂传感丝的编号，从而确定裂纹的起裂时刻和起裂点位置；

步骤三：随着裂纹的进一步扩展，对于更多的横、纵传感丝产生的断裂，通过记录整个过程中传感丝网格的通断情况和断裂位置，从而实现对裂纹变化情况的实时监测；

步骤四：后期可通过系统的数据输出接口导出数据，通过相关软件平台，实现构件表面裂纹扩展的动态演示。

Claims (1)

1.一种用于监测金属表面裂纹萌生及扩展的方法，其特征在于：

步骤一：将导电纳米传感丝外部进行绝缘处理后，以网格状的形式粘贴于被监测的金属构件表面，确保各传感丝正常工作，微处理器记录系统的初始状态参数；

步骤二：一旦金属构件表面产生裂纹，就会导致相应位置的传感丝的断裂，通过微处理器记录断裂时间，横、纵断裂传感丝的编号，从而确定裂纹的起裂时刻和起裂点位置；

步骤三：随着裂纹的进一步扩展，对于更多的横、纵传感丝产生的断裂，通过记录整个过程中传感丝网格的通断情况和断裂位置，从而实现对裂纹变化情况的实时监测；

步骤四：后期可通过系统的数据输出接口导出数据，通过相关软件平台，实现构件表面裂纹扩展的动态演示。