CN113109188A - 一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置，属于疲劳监测设备领域；此监测装置包括试验件和应变采集单元、模数转换模块、数据处理主控器、工业以太网通讯接口和智能终端。装置的数据处理主控器控制应变信号的采集、转化和传输，将监测点的应变信息实时传输到智能终端，实现飞机关键结构件的疲劳裂纹扩展在线监测。该监测装置完成了飞机关键结构模拟件的在线监测测试，结果表明在线监测装置能够准确的预测裂纹的扩展趋势和裂纹的扩展寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置，属于疲劳监测领域。
背景技术
飞机结构完整性的实现贯穿飞机设计、制造和使用的全过程，其中结构寿命的可靠性是其重要组成部分。以往的飞机疲劳裂纹监测通常以机群中同型号的全部飞机作为整体按统一的标准进行管理，然而机群中同型号不同飞机的飞行任务、飞行小时不同，服役期间所造成的飞机关键结构损伤会有明显区别；同时飞机结构还存在着材料、制造质量等个体差异，因此一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置的应用是飞机结构完整性的有力保障，其意义主要体现在进一步保证飞机关键结构的安全性、充分发挥每架飞机的寿命潜力并且保证了机群的作战能力等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置，以广泛的适用性实现多种飞机不同关键结构件的疲劳裂纹监测。该装置安装简便、运行稳定且可靠性高，能实现大多数飞机关键结构件的疲劳裂纹扩展监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种飞机关键结构件疲劳裂纹在线监测装置，该监测装置包括试验件和应变采集单元、模数转换模块、数据处理主控器、工业以太网通讯接口和智能终端。
用于监测装置测试的结构为起落架梁模拟件，模拟件的材料为7B04铝合金且表层涂有防锈漆，其无凸台面的两侧缺口附近经过了砂纸打磨和丙酮的擦拭处理。应变采集单元使用的是应变片，其沿轴向安置于起落架梁模拟件无凸台面，位于距离应力集中点位置35mm的裂纹扩展延长线上，在试验进行过程中，应变片实时输出0～5V电压信号。
模数转换模块采用的是24位∑-△型模数转换器，根据前一量值与后一量值的差值大小来进行量化编码。转换器由∑–△调制器和数字抽取滤波器这两部分组成。首先∑–△调制器以极高的频率对输入的电压信号进行抽样，通过对相邻两个样本之间的差值进行低位量化处理得到低位数码表示的∑–△码，然后将处理过的∑–△码输入到数字抽取滤波器中，经过抽取滤波后从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，实现了应变电压信号向数字信号的转换过程。
数据处理主控器是疲劳裂纹扩展在线监测装置的核心模块之一，主控器控制整个数据采集系统的工作，通过总线连接不同位置的多个传感器进行数据的采集和控制，并且实时接收模数转换模块的应变数字信号并向智能终端发送。数据处理主控器采用高性能32位航空级嵌入式微处理器，具备上电自启动、掉电记忆、多通道并发处理等功能。
疲劳裂纹扩展在线监测装置将会被安置在飞机的关键结构件附近，装置需要在高温、腐蚀、粉尘、振动和强电磁干扰等严苛工作环境下稳定工作，因此在线监测装置采用通用的工业以太网，遵循TCP/IP协议，实现数据采集系统与智能终端通讯。
智能终端对输入数据进行滤波处理并根据裂纹扩展监测方法实现结构的裂纹在线监测。在进行模拟件监测测试试验之前，首先需要通过有限元方法求解监测点向裂纹尖端的理论应力集中函数Kt(a)和切口根部半径ρ作为裂纹扩展计算参量。
在监测测试试验开始后，智能终端的载荷处理模块将对传输进来的数字信号进行阈值法滤波，过滤掉大部分的噪声信号和对结构疲劳裂纹扩展几乎没有影响的小载荷；然后，运用均方根模型将滤波后的随机变幅载荷等效为恒幅载荷并考虑平均应力的影响；
σmax,i——随机载荷谱中的峰值应力
σmin,i——随机载荷谱中的谷值应力
σrms,max——等效恒幅载荷最大应力
σrms,min——等效恒幅载荷最小应力
Rrms——等效恒幅载荷应力比
σrms——等效应力
最后，将各个疲劳裂纹扩展损伤参量传输到智能终端的裂纹扩展长度监测模块进行损伤评估。等效后的恒幅载荷中第i个循环的应力强度因子为：
由此，每个循环所造成的裂纹扩展增量可通过材料的da/dN-K曲线求得：
Δai＝C(ΔKi)m
Δai——第i个循环的裂纹扩展增量
C,m——裂纹扩展材料常数
将每个循环所造成的裂纹扩展增量累积起来得到总裂纹扩展长度为：
ai＝ai-1+Δai
裂纹长度小于预定值时继续进行监测测试，当裂纹长度超过预定值时，智能终端发出警告提醒用户被监测结构有断裂的风险。
飞机关键结构模拟件裂纹长度达到预定值时经历了1225个载荷块，其余三组离线试验模拟件裂纹长度达到预定值时分别经历了1429、1325和1150个载荷块，在线监测误差分别为16.65％、8.16％和6.12％，而且在线监测结果中模拟件缺口处的裂纹扩展速率与离线试验结果具有相同的趋势；结果表明飞机关键结构件疲劳裂纹在线监测装置能够准确的预测裂纹的扩展长度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
在不破坏飞机结构完整性的前提下，通过疲劳裂纹扩展监测智能算法和少量的硬件设备，即可实现各类型飞机不同结构的疲劳裂纹扩展在线监测，该装置的运用可节约大量人力物力，在保证飞机关键结构的安全性的前提下充分发挥每架飞机的寿命潜力。
附图说明
图1是本发明装置硬件方案流程图；
图2是本发明装置的测试试件示意图；
图3是本发明装置的应变采集单元示意图；
图4是本发明裂纹扩展监测方案流程图；
图5是本发明装置的监测结果图；
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明装置包括试验件和应变采集单元、模数转换模块、数据处理主控器、工业以太网通讯接口和智能终端。如图2所示，用于监测装置测试的结构为起落架梁模拟件，模拟件的材料为7B04铝合金且表层涂有防锈漆，其无凸台面的两侧缺口附近经过了砂纸打磨和丙酮的擦拭处理。如图3所示，应变采集单元使用的是应变片，其沿轴向安置于起落架梁模拟件无凸台面，位于距离应力集中点位置35mm的裂纹扩展延长线上，在试验进行过程中，应变片实时输出0～5V电压信号。
模数转换模块采用的是24位∑-△型模数转换器，根据前一量值与后一量值的差值大小来进行量化编码。转换器由∑–△调制器和数字抽取滤波器这两部分组成。首先∑–△调制器以极高的频率对输入的电压信号进行抽样，通过对相邻两个样本之间的差值进行低位量化处理得到低位数码表示的∑–△码，然后将处理过的∑–△码输入到数字抽取滤波器中，经过抽取滤波后从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，实现了应变电压信号向数字信号的转换过程。
数据处理主控器是疲劳裂纹扩展在线监测装置的核心模块之一，主控器控制整个数据采集系统的工作，通过总线连接不同位置的多个传感器进行数据的采集和控制，并且实时接收模数转换模块的应变数字信号并向智能终端发送。数据处理主控器采用高性能32位航空级嵌入式微处理器，具备上电自启动、掉电记忆、多通道并发处理等功能。
疲劳裂纹扩展在线监测装置将会被安置在飞机的关键结构件附近，装置需要在高温、腐蚀、粉尘、振动和强电磁干扰等严苛工作环境下稳定工作，因此在线监测装置采用通用的工业以太网，遵循TCP/IP协议，实现数据采集系统与智能终端通讯。
如图4所示，智能终端对输入数据进行滤波处理并根据裂纹扩展监测方法实现结构的裂纹在线监测。在进行模拟件监测测试试验之前，首先需要通过有限元方法求解监测点向裂纹尖端的理论应力集中函数Kt(a)和切口根部半径ρ作为裂纹扩展计算参量。
在监测测试试验开始后，智能终端的载荷处理模块将对传输进来的数字信号进行阈值法滤波，过滤掉大部分的噪声信号和对结构疲劳裂纹扩展几乎没有影响的小载荷；然后，运用均方根模型将滤波后的随机变幅载荷等效为恒幅载荷并考虑平均应力的影响；
σmax,i——随机载荷谱中的峰值应力
σmin,i——随机载荷谱中的谷值应力
σrms,max——等效恒幅载荷最大应力
σrms,min——等效恒幅载荷最小应力
Rrms——等效恒幅载荷应力比
σrms——等效应力
最后，将各个疲劳裂纹扩展损伤参量传输到智能终端的裂纹扩展长度监测模块进行损伤评估。等效后的恒幅载荷中第i个循环的应力强度因子为：
由此，每个循环所造成的裂纹扩展增量可通过材料的da/dN-K曲线求得：
Δai＝C(ΔKi)m
Δai——第i个循环的裂纹扩展增量
C,m——裂纹扩展材料常数
将每个循环所造成的裂纹扩展增量累积起来得到总裂纹扩展长度为：
ai＝ai-1+Δai
裂纹长度小于预定值时继续进行监测测试，当裂纹长度超过预定值时，智能终端发出警告提醒用户被监测结构有断裂的风险。
如图5所示，飞机关键结构模拟件裂纹长度达到预定值时经历了1225个载荷块，其余三组离线试验模拟件裂纹长度达到预定值时分别经历了1429、1325和1150个载荷块，在线监测误差分别为16.65％、8.16％和6.12％，而且在线监测结果中模拟件缺口处的裂纹扩展速率与离线试验结果具有相同的趋势；结果表明飞机关键结构件疲劳裂纹在线监测装置能够准确的预测裂纹的扩展长度。
Claims (2)
1.一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：用于监测装置测试的结构为起落架梁模拟件，模拟件的材料为7B04铝合金且表层涂有防锈漆，其无凸台面的两侧缺口附近经过了砂纸打磨和丙酮的擦拭处理；应变采集单元使用的是应变片，其沿轴向安置于起落架梁模拟件无凸台面，位于距离应力集中点位置35mm的裂纹扩展延长线上，在试验进行过程中，应变片实时输出0～5V电压信号；
模数转换模块采用的是24位∑-△型模数转换器，根据前一量值与后一量值的差值大小来进行量化编码；转换器由∑–△调制器和数字抽取滤波器这两部分组成；首先∑–△调制器以极高的频率对输入的电压信号进行抽样，通过对相邻两个样本之间的差值进行低位量化处理得到低位数码表示的∑–△码，然后将处理过的∑–△码输入到数字抽取滤波器中，经过抽取滤波后从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，实现应变电压信号向数字信号的转换过程；
数据处理主控器是疲劳裂纹扩展在线监测装置的核心模块之一，主控器控制整个数据采集系统的工作，通过总线连接不同位置的多个传感器进行数据的采集和控制，并且实时接收模数转换模块的应变数字信号并向智能终端发送；数据处理主控器采用高性能32位航空级嵌入式微处理器，具备上电自启动、掉电记忆、多通道并发处理等功能；
在线监测装置采用通用的工业以太网，遵循TCP/IP协议，实现数据采集系统与智能终端通讯；
智能终端对输入数据进行滤波处理并根据裂纹扩展监测方法实现结构的裂纹在线监测；在进行模拟件监测测试试验之前，需要通过有限元方法求解监测点向裂纹尖端的理论应力集中函数Kt(a)和切口根部半径ρ作为裂纹扩展计算参量；
在监测测试试验开始后，智能终端的载荷处理模块将对传输进来的数字信号进行阈值法滤波，过滤掉大部分的噪声信号和对结构疲劳裂纹扩展几乎没有影响的小载荷；然后，运用均方根模型将滤波后的随机变幅载荷等效为恒幅载荷并考虑平均应力的影响；
σmax,i——随机载荷谱中的峰值应力
σmin,i——随机载荷谱中的谷值应力
σrms,max——等效恒幅载荷最大应力
σrms,min——等效恒幅载荷最小应力
Rrms——等效恒幅载荷应力比
σrms——等效应力
最后，将各个疲劳裂纹扩展损伤参量传输到智能终端的裂纹扩展长度监测模块进行损伤评估；等效后的恒幅载荷中第i个循环的应力强度因子为：
由此，每个循环所造成的裂纹扩展增量可通过材料的da/dN-K曲线求得：
Δai＝C(ΔKi)m
Δai——第i个循环的裂纹扩展增量
C,m——裂纹扩展材料常数
将每个循环所造成的裂纹扩展增量累积起来得到总裂纹扩展长度为：
ai＝ai-1+Δai
裂纹长度小于预定值时继续进行监测测试，当裂纹长度超过预定值时，智能终端发出警告提醒用户被监测结构有断裂的风险。
2.根据权利要求1所述的一种飞机关键结构件疲劳裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：用于监测装置测试的结构为起落架梁模拟件，模拟件的材料为7B04铝合金且表层涂有防锈漆，其无凸台面的两侧缺口附近经过了砂纸打磨和丙酮的擦拭处理；应变采集单元使用的是应变片，其沿轴向安置于起落架梁模拟件无凸台面，位于距离应力集中点位置35mm的裂纹扩展延长线上，在试验进行过程中，应变片实时输出0～5V电压信号。
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