基于声发射的全尺寸飞机静强度损伤监测

韩 晖，宁 宁，肖迎春，刘国强，李 明

（中航工业飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力／疲劳航空科技重点实验室，西安 710065）

全尺寸飞机静强度试验是验证飞机结构安全性，判断飞机能否实现首飞的重要保证。在试验中使用了各种无损检测方法来保障结构安全，但这些常规方法基本属于事后检测，对试验过程中出现的各种声响，无法完全判断其来自何处、是否由结构损伤引起。因此，常规检测具有一定局限性和盲目性，且极易忽略结构中非薄弱部位的损伤。而声发射（Acoustic Emission，AE）作为一种动态、被动损伤监测技术可全程对结构实时监测，通过在不同区域布置传感器捕捉结构异响来全面掌握结构各部分强度等情况，及时发现损伤并定位，了解结构损伤的产生和扩展，给判定飞机结构安全性和准确定寿提供科学依据，声发射监测飞机静强度试验原理如图1所示。

目前，国外发达国家已将声发射技术作为重要检测和研究手段，美国NASA、海空军及从事直升机研制生产的BOEING VERTOL公司等更是将声发射技术用于飞机的研制和生产中。瑞典SAAB的JAS－39飞机几年前就已采用声发射系统完成了整机静强度试验监测，取得较满意的效果。而国内，吴惠勇［1］曾利用声发射技术预警监测了一些疲劳试件，耿荣生教授［2］对两类三代机的疲劳试验进行过全程声发射监测，并发现了重要损伤，但基于声发射技术对全尺寸飞机静强度进行损伤监测的研究却并不多，对其研究还有待深入。

图1 声发射监测飞机静强度试验原理示意

笔者通过对某型机静强度进行声发射监控，利用参数分析法，采用区域定位，在满足监测效率和工程精度的前提下，获取飞机结构在不同载荷状态下不同部位的声发射信号特征及损伤发生时刻，为飞机结构的强度研究和耐久性损伤容限设计提供参考，亦为声发射全机监测技术积累经验。

1 声发射源定位原理

声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检物体表面，引起表面机械振动，传感器将结构表面的瞬态位移转换成电信号，再经放大、处理后形成特性参数，并被记录与显示。最后通过对数据的解释，评定声发射源的特性，其简单物理模型为：

式中：A（t）和θ（t）分别为声发射信号的波形包络幅度调整公式与频率调整公式。

对于全机静强度试验损伤监控，最需要解决的两个重要问题是：①确定损伤位置。②确定损伤时刻所对应的载荷大小。其中，如何确定声发射源（损伤位置）是声发射监测的重点。常见声发射源定位方法有以下几种。

（1）区域定位法，即将声发射源确定在被检件上的某个指定区域。其对传感器布置无特殊要求，但要求检测区域内源信号至少被一个传感器接收到，如图2所示。该方法的优点是传感器布置灵活，操作简便，但仅表示一定区域，无法精确定位。其主要用于大型构件或复合材料等声发射频度过高或传播衰减过大或检测通道数有限的场合。

（2）时差定位法：指在两个或两个以上传感器组成的定位阵列中，通过信号到达各通道的时序，以先到达信号的起始时刻为基准计算出信号到达其它通道的时差，结合阵列中传感器间距和声速来确定声源位置［3－4］。利用时差定位法进行一维定位的原理，如图3所示。

图2 独立通道监视区域定位示意

图3 一维定位原理

（3）基于模态分析的传感器定位法［5］。该方法基于Lamb波的频散特性建立，只适用于固体薄板。图4为采用合适宽频传感器采集到的薄板中的典型声发射信号，其中波形前幅度较小的部分为膨胀波，后面幅度较大的三角波为弯曲波。通过测定特定频率下两种不同模态波的峰值达到传感器的时差Δt，利用式（2）确定声源与传感器的间距。

式中：D是声源与传感器的间距；CS为膨胀波的波速；CA为弯曲波的波速。

该方法的局限性在于：仅适用于能产生Lamb波的固体介质；有时无法从获得的信号中区分出不同模态的波。

图4 OOP声发射源在薄板中的典型信号［6］

由于时差定位法在各向异性复合材料和复杂外形结构件中使用受限，因此逐渐发展出其他定位方法，如虚拟波阵面法［7］、基于神经网络的定位法［8］、Delta T Mapping定位法［9］等方法。这些方法在操作过程中均需完成较复杂的计算，在形状复杂的试件表面难以实施，故其在工程上的应用也受到限制。

2 AE监测对象与监测系统

2.1 监测对象

试验主要考核飞机某部位结构的强度，根据试验要求和结构具体情况布置传感器。重点监控部位有：左侧结构部件连接右接头；左侧结构部件连接左接头；右侧结构部件连接右接头；右侧结构部件连接左接头；左侧结构部件连接杆件。

2.2 声发射设备及参数设置

试验监测设备采用美国PAC 公司PCI－8型8通道的声发射监测系统，传感器布置（局部）如图5所示。由于飞机结构复杂，各部分衰减不同，在兼顾监测效率和工程精度的要求下，采用区域定位法。

图5 声发射重点监测部位（局部）

声发射监测的主要困难在于试验过程中的大幅度机械噪声干扰。噪声源主要来自于结构在载荷下的位移和摩擦，幅度大且频率分布广而使得裂纹萌生、扩展产生的声发射信号被淹没。为减少噪声的影响，采用滤波方法减少环境干扰。通过断铅模拟声发射信号对设备参数进行调试，并确定每个传感器的监测范围、合理布置传感器。设置声发射采集仪参数如下：采用固定门槛，幅度门槛设置为40dB，前放增益40dB，峰值定义时间（PDT）设为300μs，声发射事件定义时间（HDT）为600μs，波击闭锁时间（HLT）为1 000μs，采样率为1 MHz，频率带宽100～400kHz。

2.3 监测方法

按试验大纲要求，为及时准确地捕捉裂纹的产生与扩展过程，并与加载时刻一一对应，因此采用采集与加载同步的方法，分段采集完成声发射现场损伤监测。

3 监测结果及分析

3.1 信号分析

参数分析法中，常用参数包括信号幅度、能量和撞击等。其中，以经过增益放大后的信号检波包络线下的面积作为能量参量，常以计数表示，其只有数学上的意义，而非声发射信号的真实能量。加载过程中，结构载荷加载至80%时，结构出现较大响声。对照图6来看，通道1、4都检测到了大幅度信号，最大幅度均超过85dB。但对应的最大能量分别仅有1 200、1 600，参考调试时断铅信号情况，不能判定此时结构出现损伤。

图6 75%～80%限制载荷时各通道的声发射信号

图7 90%～95%限制载荷时各通道的声发射信号图

结构在85%载荷作用下，通道1、4出现两次大幅值信号，最大幅值都超过90dB。结合同时刻两通道所对应的其他声发射信号参数变化情况，判断结构进入了塑性变形或出现了损伤。载荷加载至95%时的声发射信号如图7所示，通道1、4检测到幅度超过98dB的异常信号且出现了第二个声发射信号高峰。再结合此时刻两通道对应的能量图7（b）（通道1为29 000，通道4为40 000），怀疑在结构中间区域出现了裂纹。后经监控录像验证，监测部位壁板在85%载荷时刻出现较大变形，在95%载荷加载过程中出现局部断裂。继续加载，加载至115%载荷过程中，监测系统又监测到一次异响。图8（a）显示，异响对应时刻是在加载至105%载荷的时刻。此时通道1、4所检测到的最大信号幅度为97dB，最大能量［如图8（b）所示］分别为13 000，14 500，并且撞击计数［图8（c）］在此时达到高峰。根据以上分析，怀疑结构在监测部位中间区域又出现了严重损伤，可能出现结构断裂。将情况报告试验指挥，现场停止试验。

图8 100%～110%限制载荷时各通道的声发射信号

3.2 无损检测结果

根据声发射监测情况提示，在试验停止后对可疑区域进行无损检测，发现飞机左侧结构中声发射监测部位壁板最终出现约130 mm 长的断裂裂纹，此外还有多处铆钉断裂和螺钉断裂，如图9 所示。而声发射监测在加载至85%载荷时就已预警结构变形，并随后及时预测监测区域可能出现早期裂纹，明显早于常规检测方法。无损检测结果和试验视频监控证明了声发射监测的实时性和有效性。

图9 结构损伤图处

4 结语

全尺寸飞机静强度试验是飞机设计、制造、试验、试飞中的重要一环。基于声发射技术完成了某型机静强度的损伤监控，通过对声发射信号的分析，成功判断出飞机某部位声发射监测区域壁板进入变形阶段至断裂的过程，充分说明声发射技术在飞机结构健康监测中具有重要的作用。在静力试验中应用声发射技术实施损伤监测，可及时发现结构各部位损伤，为飞机设计和强度研究人员确定结构承载力提供有益参考，并为新机首飞赢得宝贵时间。

［1］范靖，吴惠勇.声发射技术在试件疲劳试验中的预警作用［J］.飞机设计，2011，31（2）：44－46.

［2］耿荣生，景鹏.声发射技术在全尺寸飞机疲劳试验中的应用［J］.应用声学，2013，32（4）：14－19.

［3］MILLER R K，MCLNTIRE P.Acoustic Emission Testing［M］.Columbus，OH：American Society for Nondestructive Testing，1987.

［4］沈功田.声发射源定位技术［J］.无损检测，2002，24（3）：24－27.

［5］MAJI A K，SATPATHI D.Acoustic emission source location based on lamb waves［J］.Proceedings of Engineering Mechanics，1995.

［6］耿荣生，沈功田，刘时风.模态声发射——声发射信号处理的得力工具［J］.无损检测，2002，24（8）：21－25.

［7］刘治东，庞宝君，唐颀.基于虚拟波阵面的层合板声发射源定位［J］.压电与声光，2010，32（6）：163－167.

［8］李冬生，何林，欧进萍.神经网络技术在声发射定位中的应用［C］∥中国第十届声发射学术研讨会论文集.大庆：中国机械工程学会，2004.

［9］SCHOLEY J J，WILCOX P D，WISNOM M R，et al.Two－dimensional sourcelocation techniques for large composite plates［C］∥The 28th European conferenceon acoustic emission testing.Cracow：［s.n］，2008.