| 摘要： 在現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)中，結(jié)構(gòu)必須保持工作的時(shí)間要比初始預(yù)期的時(shí)間要長(zhǎng)的多。這些結(jié)構(gòu)的老化效應(yīng)變得很顯著，并在確定關(guān)于這些結(jié)構(gòu)使用、維護(hù)和退役方案時(shí)必須考慮老化效應(yīng)。
用于監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀況的無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展是非?；钴S的，且這些發(fā)展主要集中于已存在結(jié)構(gòu)現(xiàn)有壽命的延長(zhǎng)和維護(hù)費(fèi)用的降低。 一種快速、準(zhǔn)確和成本較低的結(jié)構(gòu)監(jiān)控方法是聲發(fā)射(AE)和超聲-聲發(fā)射(AU)，這種方法已被證明非常可靠，并能檢測(cè)"局部"和"全局"。AE/AU技術(shù)可以在可能的災(zāi)難性故障以前檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷，補(bǔ)充其他的無(wú)損檢測(cè)檢驗(yàn)方法。AE/AU技術(shù)在預(yù)定的維護(hù)計(jì)劃中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控已被證明是可靠的、合理的技術(shù)。這是因?yàn)樵谖＜敖Y(jié)構(gòu)完整性和結(jié)構(gòu)故障發(fā)生之前，中斷處可以產(chǎn)生可檢測(cè)到的聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)和超聲-聲發(fā)射技術(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)在很多的老化結(jié)構(gòu)問(wèn)題，范圍涉及航天工業(yè)中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控。確定混合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由活動(dòng)缺陷引起的不連續(xù)處。本文將檢驗(yàn)這種技術(shù)，并討論幾種應(yīng)用和監(jiān)控案例。 介紹： 聲發(fā)射 (AE)是從材料中的損傷源快速釋放能量而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波。這些彈性波可以監(jiān)測(cè)到并轉(zhuǎn)換成壓電信號(hào)，這些由安裝在材料表面的小的壓電晶體傳感器完成。傳感器響應(yīng)通過(guò)前后濾波器去除頻率低于100KHz的可聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。結(jié)果表明即使是周?chē)脑肼曀胶芨呤褂寐暟l(fā)射也能監(jiān)控結(jié)構(gòu)的活動(dòng)損傷。聲發(fā)射的損傷源包括斷裂、塑性變形、沖擊、磨擦、腐蝕膜層破壞及其他過(guò)程。對(duì)于檢測(cè)幾百平方微米或更小的表面上新形成的裂紋，聲發(fā)射有足夠的靈敏度。
超聲-聲發(fā)射(AU)是在具有聲發(fā)射應(yīng)用特征的頻率范圍內(nèi)使用超聲波方法。該技術(shù)能檢測(cè)和描繪單層和多層金屬、陶瓷和復(fù)合板材料結(jié)構(gòu)的差異。也能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、金屬厚度和厚的復(fù)合材料進(jìn)行腐蝕及分布差異的檢測(cè)。AU使用脈沖發(fā)生器和接收傳感器以低超聲范圍內(nèi)的共振頻率，結(jié)合波傳播動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)來(lái)檢測(cè)損傷。超聲波被表面和界面反射回來(lái)，由于散射和吸收衰減，在反射和播送中模式發(fā)生變化。這些結(jié)果主要依賴于波的頻率、方向、初始模式和表面損傷的位置和方位。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，信號(hào)發(fā)生變化就表示損傷類(lèi)型。通過(guò)計(jì)算信號(hào)中給定的損傷類(lèi)型和度的平均變化?？梢詮腁U測(cè)量值來(lái)估算損傷。 結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控(SHM)系統(tǒng)： | 聲發(fā)射-直升機(jī)健康狀態(tài)和使用監(jiān)控系統(tǒng)(AE-HUMS)是一種用于直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中檢測(cè)損傷的裝置。該系統(tǒng)使用SH-60動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)(組成見(jiàn)圖1)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研制而來(lái)。使用該數(shù)據(jù)顯示AE-HUMS系統(tǒng)有能力檢測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中不同部件的多種損傷過(guò)程，能估算相對(duì)損傷危害度，及能識(shí)別損傷進(jìn)展，例如：裂紋擴(kuò)展等。在副齒輪中擴(kuò)展的裂紋能在故障發(fā)生前15分鐘檢測(cè)出來(lái)。 |
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| 同時(shí)，還能檢測(cè)和監(jiān)控裂紋形成前數(shù)小時(shí)由損傷引起的裂紋(如圖2)，有跡象表示將來(lái)對(duì)系統(tǒng)修改將允許裂紋的形成和裂紋擴(kuò)展，并可以與其他類(lèi)型的損傷擴(kuò)展區(qū)分開(kāi)來(lái)。在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)AE-HUMS系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)控動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱及轉(zhuǎn)動(dòng)零件有很大的潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統(tǒng)提供了四個(gè)級(jí)別的損傷指標(biāo)。每個(gè)通道顯示一個(gè)狀態(tài)條，四種顏色中的一種表示部件的一種狀態(tài)。這些顏色是：綠色表示通過(guò)情況；黃色表示可能的最小無(wú)擴(kuò)展損傷；橙色表示明確的和嚴(yán)重的無(wú)擴(kuò)展損傷；紅色表示嚴(yán)重的擴(kuò)展損傷。無(wú)聲音報(bào)警。操作員可以關(guān)掉任一通道或整個(gè)系統(tǒng)。
飛機(jī)全尺寸疲勞試驗(yàn)(FSFT)：現(xiàn)在的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),象超聲波、渦流和放射線照相術(shù)要求很高的經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的技術(shù)人員，花費(fèi)很多時(shí)間尋找顯著區(qū)域，且經(jīng)常分解機(jī)架結(jié)構(gòu)以確定裂紋位置和長(zhǎng)度。目前，檢測(cè)位置和間隔必須依據(jù)以前的缺陷統(tǒng)計(jì)特征。然后必須在所有位置進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)掃描來(lái)確定是否有真正的缺陷存在。使用聲發(fā)射允許通過(guò)裂紋擴(kuò)展聲音識(shí)別點(diǎn)位置檢測(cè)。 | 全尺寸疲勞試驗(yàn)是依據(jù)在實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)先加載與服役中一樣的循環(huán)載荷原理。試驗(yàn)的自動(dòng)加載系統(tǒng)在比實(shí)際運(yùn)行服役短很多的時(shí)間段內(nèi)提供很多次載荷循環(huán)。因?yàn)閺?qiáng)迫缺陷擴(kuò)展，在維修它時(shí)要和實(shí)際操作規(guī)程一樣。這個(gè)試驗(yàn)全部目的是確定疲勞臨界位置和在這些位置上疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展特征。 |
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FSFT是載荷模式，即：疲勞載荷譜依據(jù)于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在早期產(chǎn)品階段(圖3)完成全尺寸試驗(yàn)通常使用很低危害的疲勞載荷譜(和多數(shù)飛行目前進(jìn)行載荷譜比較)，期望的飛行使用壽命也比現(xiàn)在要求機(jī)架壽命短。這就導(dǎo)致要保持我們舊的飛行就要求越來(lái)越多的FSFTS。
聲發(fā)射試驗(yàn)是一項(xiàng)在應(yīng)力狀態(tài)下"聽(tīng)"結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在預(yù)加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中裂紋或缺陷發(fā)射聲波。這些波通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播并由一組壓電晶體傳感器收集信號(hào)。這些信號(hào)傳輸?shù)交趦x器的計(jì)算機(jī)中來(lái)分析波形特征，通過(guò)比較在傳感器組中不同傳感器信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，可以確定缺陷點(diǎn)所在的位置。
| 聲發(fā)射在F-15疲勞試驗(yàn)上的應(yīng)用主要集中于飛機(jī)上的幾個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)(圖4)。主要感興趣的點(diǎn)是在機(jī)翼和機(jī)身之間的連接耳片。這些中間的和主翼梁上的耳片在工作過(guò)程承受巨大的載荷并經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。機(jī)翼和機(jī)身固定耳片將機(jī)翼主梁與機(jī)身隔壁連成一體，由2124鋁合金，7075鋁合金和6A1-4V鈦鍛件加工而來(lái)。 |
| 即使使用最現(xiàn)代的傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)確定疲勞裂紋的位置也常常很困難。聲發(fā)射有告訴檢測(cè)人員什么時(shí)間什么區(qū)域檢測(cè)的能力。用這個(gè)系統(tǒng)可以節(jié)省試驗(yàn)停車(chē)時(shí)間，減少試驗(yàn)樣機(jī)發(fā)生災(zāi)難性故障的機(jī)率，用該系統(tǒng)獲得較好地對(duì)裂紋形成的理解。這種類(lèi)型的儀器(圖5)對(duì)疲勞研究是非常有用的，總有一天我們將看到空中聲發(fā)射監(jiān)控設(shè)備作為一種重要的監(jiān)控系統(tǒng)。圖6和圖7所示為傳感器和前置放大器在FST飛機(jī)上的位置。 |
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圖8.DC-XA 技術(shù)驗(yàn)證和火箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器安裝位置 |
飛行聲發(fā)射（AE）作為一種健康狀態(tài)管理試驗(yàn)在DC-XA三角機(jī)翼運(yùn)輸機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)上獲得了成功地驗(yàn)證。AE系統(tǒng)作為商業(yè)可買(mǎi)到的儀器單元修改用于自動(dòng)控制和重設(shè)計(jì)AEFIS，AEFIS表示聲發(fā)射飛行儀器系統(tǒng)。聲發(fā)射技術(shù)預(yù)示著對(duì)滿足新的要求有了希望：能監(jiān)控和反饋關(guān)于結(jié)構(gòu)、燃油箱和燃油系統(tǒng)狀態(tài)的信息并傳遞給機(jī)載計(jì)算機(jī)。未來(lái)空間旅行的最關(guān)心的問(wèn)題之一就昌微隕石沖擊，它能碰擊飛行器上升、下降及在軌道上運(yùn)動(dòng)，特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐步成為主流。在飛行器上用聲發(fā)射，它能被動(dòng)地"聽(tīng)"結(jié)構(gòu)并確定沖擊發(fā)生的位置。一旦發(fā)生沖擊，系統(tǒng)確定沖擊部位并評(píng)估它的危害度。確定位置以后，系統(tǒng)橫過(guò)沖擊區(qū)域完成AU試驗(yàn)：主動(dòng)發(fā)射脈沖到AE傳感器及獲得收到的數(shù)字化波形并和地面標(biāo)定獲得的波形進(jìn)行比較。然而這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)入人工智能化(AI)算法以便給進(jìn)行下一步或不進(jìn)行下一步命令(即：如果損傷發(fā)生在陶瓷熱防護(hù)罩上，就可以從分裂及燃燒掉的狀況前挽救結(jié)構(gòu)。) 象前面提到的，AEFIS最初設(shè)計(jì)作為一種原型反饋關(guān)于LH2箱結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，包括溫度極限、振動(dòng)和背景噪聲等信息。其他技術(shù)挑戰(zhàn)有：
·修改標(biāo)準(zhǔn)的AE系統(tǒng)不用主動(dòng)冷卻就能工作；
·通過(guò)濾波器去除高背景聲音和電噪聲；
·去除電磁干涉(EMI)；
·隨狀態(tài)更新能直接與火箭PC機(jī)通信，自檢查和指示；
·由結(jié)構(gòu)完整性分析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)；
·由火箭飛行器提供飛行數(shù)據(jù)基線。
| 研制一套AEFIS裝置可能采用現(xiàn)成的產(chǎn)品將超過(guò)6個(gè)月時(shí)間。在飛行器內(nèi)部將最后的配置安裝到著陸腳支柱上，將AE傳感器由電纜連到LH2箱上并包括前置放大器(圖9)。該裝置使用耐用的工業(yè)PC機(jī)帶后板CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE板，一塊24VDC電源用飛行器動(dòng)力并且是固體狀態(tài)硬件驅(qū)動(dòng)。最后配置尺寸為6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無(wú)可移動(dòng)零件(圖10)。軟件來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)軟件，在安裝過(guò)程中允許有多種選擇增加自控自檢能力，系統(tǒng)狀態(tài)I/O及通過(guò)母系連接加載/下載能力等特征。母系連接常用來(lái)加載新的試驗(yàn)配置和下載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)位于飛行器外面的一面板接入的筆記本電腦完成。 |
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使用的傳感器也是現(xiàn)成的產(chǎn)品并包括三種不同類(lèi)型，選擇傳感器根據(jù)它們的頻率響應(yīng)、大小、靈敏度及在火箭中燃料加載，飛行和著陸過(guò)程中承受苛刻溫度和振動(dòng)振蕩的能力，圖11所示為三種傳感器中的兩種及它們的大小。 總結(jié)： 從這里報(bào)導(dǎo)的工作中很明顯聲發(fā)射和聲-超聲波在航天無(wú)損檢驗(yàn)和健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)中有一席之地。同時(shí)這里所說(shuō)的兩個(gè)系統(tǒng)都是最新研制的。非常明顯以前非常困難和不可能檢測(cè)的結(jié)構(gòu)中裂紋和分層現(xiàn)在用上面兩系統(tǒng)可以解決。這些系統(tǒng)的工作目前研制其他系統(tǒng)并應(yīng)用于這樣的平臺(tái)：X-34和Delta火箭。 致謝: 我們將非常感謝：航空和司令部AATD的Bruce Thompson 及Boeing 公司的Gerry Nissen 和 Jerry Huang，感謝對(duì)本文工作的支持。 | 
