基于应变分析的裂纹检测技术在疲劳试验中的应用

杨鹏飞，付梦思，王 毅

(1.中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点试验室，陕西 西安 710065；2．北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)

1 引 言

疲劳破坏一直是危害飞机安全的一个重要因素，进行疲劳试验发现关键部位或关键结构的疲劳裂纹具有十分重要的意义[1]。在全机疲劳试验中，由于试验件结构复杂且受试验场地限制，日常主要采用目视检查方法，这容易导致裂纹发现不及时以及出现漏检的情况。本文针对某型飞机的全机疲劳试验，研发一种裂纹主动检测技术，并将其应用于该项疲劳试验，成功地检测出机身主框多处裂纹。

2 裂纹应变检测原理

应变是物体在外力作用下产生变形的一种量化表征。在了解材料的物理属性后，通过测量物体表面某部位的应变值就能计算出该区域所承受载荷的大小。所以，通常在全机静力/疲劳强度试验中通过监控试验件受载后的应变来判断其结构强度是否满足设计要求。

对于疲劳试验件的金属结构，裂纹主要出现在应力集中的部位。无论是裂纹萌生还是裂纹生长阶段，在出现裂纹区域的周边小范围内，其应力应变场都会发生改变。因此，对于疲劳试验件中某些结构不可达部位的裂纹监测，需关心裂纹附近所贴应变片测量应变值的变化，从概率论以及数理统计理论的角度出发，并结合疲劳试验的实测应变数据，找出每个应变片在不同载荷工况下的应变基准值。

由于试验过程中的加载及测量有误差，因此，应变测量值与基准值之差Δε为随机变量。考虑到试验过程中某些其它微小的不确定因素，可认为Δε服从正态分布，即Δε-N(0,σ2)，其中σ2为方差，由试验确定[2]。

如果某区域的|Δεi|>0，即认为这一区域第i次测量时裂纹出现的置信概率Pi较高，随后可利用无损检测技术做进一步的检测。

3 裂纹应变检测方法

3.1 确定裂纹检测区域

对疲劳试验测量任务书中给出的重点应变监测部位进行统计分析，主要是应力集中及高载部位，以确定裂纹出现的高发区域及裂纹监测的重点区域。在试验过程中，还需根据实际测量应变数据的大小及变化范围，调整应变片的监测区域，并通过计算分析，逐步确定裂纹监测的主要区域。对于不可达区域，通过对其附近可粘贴应变片区域的应变数据监测，判断是否有裂纹出现。

3.2 选取监测载荷工况

选取监测载荷工况的原则为：该应变监测区域仿真分析受力最大的5～10个载荷工况。对于出现频次较高的工况，每个起落测量一次；出现频次少于起落数的，每出现一次测量一次。

3.3 确定监控应变片

对于疲劳试验，其应变片粘贴数量一般和静力试验全机工况测量数量相同，主要用于在试验前确定试验件的状态是否满足试验要求，以及在疲劳试验期间不定期检查试验件状态。另外一部分为跟踪测量应变片，通过前期静力试验测量数据及静态测量数据分析，筛选出跟踪测量的应变片。

3.4 确定监控片基准值

疲劳试验开始前，以事先确定好的监测载荷工况作为应变测量工况，得到每个测量点在不同载荷工况下的应变数据，同一工况需重复8～10次，取其测量数据的算术平均值作为该测量点在该监测载荷工况下的应变基准值。

3.5 确定监控片误差区间

得到监控应变片的测量数据后，对数据进行筛选，剔除其中特别大和特别小的数据(主要由应变片损坏导致)。然后将测量数据与基准数据进行对比，获得每个监控应变片的相对误差范围δi。根据几年来多个飞机结构疲劳试验裂纹应变检测经验，并考虑各种因素，正常情况下监控片误差区间(应变测量值与基准值相对误差)|δi|<20%。

3.6 统计检验

如果|δi|≥σ，Pi≈0.688。

如果|δi|≥2σ，Pi≈0.955。

如果|δi|≥3σ，Pi≈0.997。

为了能够尽早发现裂纹，可以采取较低的置信概率，即当某区域监测应变片相对基准的误差|δi|≥20%(置信概率P1=68%)时，检测该片区是否出现裂纹。如果没有发现裂纹，可逐步放大该监测应变片的误差，提高置信概率，直到该监测应变片误差|δi|≥60%(置信概率P3=99%)时，做进一步检测。

3.7 确定裂纹

首先由试验人员利用手电筒、放大镜等简易工具对监测应变片区域进行目视检查，然后再由无损检测人员使用专业的检测设备确定裂纹。

4 应用实例

某型飞机全机疲劳试验，根据静态谱测量选定20039载荷状态进行监控，以此为依据计算各应变测量点的基准值，成功检测到了机身主框结构多处裂纹。

(1)某框顺航向右下侧孔边裂纹LS-144，长度17mm，检测时间12345.4FH(如图1、图2所示)。

图2 裂纹位置

(2)某框左下侧方孔边裂纹LS-146，长度8mm，检测时间12500FH(如图3、图4所示)。

图3 裂纹处应变变化曲线

图4 裂纹位置

(3)某框梁缘条裂纹LS-160，长度8mm，检测时间13364.6FH(如图5、图6所示)。

图5 裂纹处应变变化曲线

图6 裂纹位置

5 结 论

该裂纹检测技术成功地解决了不可达部位的裂纹检测及监测问题，确保裂纹的及时发现，极大提升了裂纹检测的能力。