聲發(fā)射技術(shù)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)范文

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《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程雜志》2014年第六期

1金屬疲勞裂紋的聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)

1．1試驗(yàn)儀器檢測(cè)設(shè)備采用美國(guó)PAC公司的8通道DiSP聲發(fā)射系統(tǒng)，包括信號(hào)采集儀(具有分析和定位功能)、傳感器(諧振頻率150kHz)、前置放大器和電纜等。信號(hào)采集過程如圖1所示。疲勞試驗(yàn)在10t的INSTRON試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用常幅譜加載，試驗(yàn)機(jī)相對(duì)動(dòng)態(tài)誤差為2%，相對(duì)靜態(tài)誤差為1%。

1．2試驗(yàn)步驟第1步，制作試驗(yàn)件。設(shè)計(jì)制作了若干件犬骨型帶孔鋁合金板試驗(yàn)件，材料為L(zhǎng)Y12CZ，中心孔直徑10mm，板厚4mm，試件在試驗(yàn)機(jī)上的夾持長(zhǎng)度為50mm，如圖2所示。第2步，布置傳感器。孔邊為應(yīng)力集中部位，因此沿試件縱軸在孔周圍對(duì)稱布置2個(gè)傳感器，間距80mm，同時(shí)沿縱軸標(biāo)定A、B兩點(diǎn)用于斷鉛校準(zhǔn)和聲速測(cè)定，A、B兩點(diǎn)距孔中心均為25mm。第3步，設(shè)置采集儀器參數(shù)。將2個(gè)傳感器設(shè)置為線性定位組，事件定義值為80mm，事件閉鎖值為160mm，過定位值為16mm。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，其他采集參數(shù)設(shè)定見表1。每一試件在檢測(cè)前均用斷鉛打點(diǎn)確定聲速并保證傳感器信號(hào)良好，其余參數(shù)設(shè)置不變，確保試驗(yàn)檢測(cè)的一致性。第4步，對(duì)每一試件進(jìn)行疲勞拉－拉試驗(yàn)。由多名合格檢測(cè)人員進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)，互不干擾，記錄聲發(fā)射報(bào)警以及首次發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)的信號(hào)數(shù)據(jù)和裂紋長(zhǎng)度。聲發(fā)射參數(shù)選用幅度、能量和計(jì)數(shù)等描述信號(hào)變化情況。在試驗(yàn)前準(zhǔn)備好20倍放大鏡用于目視檢測(cè)，以驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果。

2檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

2．1裂紋檢測(cè)概率根據(jù)1．1節(jié)討論，取Pi=0．5，δ=0．12，在95%置信水平下，計(jì)算聲發(fā)射裂紋檢測(cè)概率至少需要nmin=67件試驗(yàn)件。對(duì)每件試件實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，研究中采用參數(shù)濾波與空間濾波相結(jié)合的方法，對(duì)異常信號(hào)運(yùn)用趨勢(shì)分析和關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行損傷判斷，實(shí)際共完成75件鋁合金板的疲勞裂紋檢測(cè)，其中有效檢測(cè)69件，成功發(fā)現(xiàn)裂紋61件。檢測(cè)情況表明，通過對(duì)幅度和能量等特征參數(shù)的分析，可有效預(yù)報(bào)金屬裂紋萌生及擴(kuò)展，且幅度比其他參數(shù)更加直觀穩(wěn)定，其提示異常時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度約為0．5mm～2．0mm。典型聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)如圖3所示。各試件檢測(cè)結(jié)果及檢出裂紋時(shí)的幅度統(tǒng)計(jì)情況見表2，其中，xi表示裂紋檢出結(jié)果，檢出記為“1”，未檢出為“0”，檢出率為p。由1．1節(jié)知，裂紋檢測(cè)結(jié)果只有檢出和漏檢2種，檢測(cè)結(jié)果總體X服從兩項(xiàng)分布B(1，p)，且n=69，m=61，uα/2=1．96。首先，利用式(2)計(jì)算得到聲發(fā)射對(duì)金屬疲勞裂紋(裂紋長(zhǎng)度＜2．0mm)的檢測(cè)概率p在95%置信度下的置信區(qū)間為(80．90%，95．96%)，其次由式(6)計(jì)算出檢測(cè)概率p的貝葉斯估計(jì)值為87．3%。

2．2裂紋檢出信號(hào)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)表2中聲發(fā)射幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按區(qū)間分類后列于表3。采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法研究幅度的總體分布，其中k=4，各區(qū)間理論概率值的計(jì)算結(jié)果見表4。在0．01顯著水平下，由式(7)得，χ20．01(1)=6．63＞6．37。由1．3節(jié)假設(shè)檢驗(yàn)知識(shí)，計(jì)算得到信號(hào)幅度體服從分布N(66．48，7．32)，進(jìn)而可以通過其分布規(guī)律來預(yù)測(cè)聲發(fā)射出現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)進(jìn)行損傷判斷的檢測(cè)可靠性，如圖4所示。從裂紋檢出信號(hào)幅度的分布曲線可以分析出，幅度為70dB時(shí)，初步判斷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋的概率為68．4%;當(dāng)幅度達(dá)到75dB時(shí)，檢測(cè)人員有87．9%的可靠性判斷結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)損傷。這樣在完成具有一定可靠性的異常信號(hào)初判基礎(chǔ)上，再采取相應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)特征分析，如趨勢(shì)分析和關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)損傷判斷，可以進(jìn)一步提高聲發(fā)射檢測(cè)效率。

3結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了聲發(fā)射技術(shù)對(duì)一定長(zhǎng)度金屬疲勞裂紋的檢測(cè)概率，以及判斷結(jié)構(gòu)損傷的信號(hào)閾值問題，可為聲發(fā)射檢測(cè)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)、提高聲發(fā)射檢測(cè)效率，以及確定結(jié)構(gòu)疲勞壽命提供支持。需要說明的是，由于本文試驗(yàn)件是由飛機(jī)結(jié)構(gòu)中提取的典型形式，因此這些結(jié)論針對(duì)具體結(jié)構(gòu)件，在一定條件下成立。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)應(yīng)保證聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備的采集信號(hào)處于正常水平，進(jìn)而參考本文結(jié)論完成結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。

作者：韓暉肖迎春白生寶劉國(guó)強(qiáng)梁棟單位：中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室