飞机结构试验疲劳裂纹在线测量与预警系统设计

郭佳，樊俊铃，宁宁，李闵行，白生宝

（中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065）

引言

飞机结构地面强度试验是发现结构薄弱部位、验证飞机结构疲劳性能、获得飞机结构的裂纹形成和裂纹扩展寿命的重要方法和手段[1-4]。试验中的损伤检测是获得飞机结构的损伤形成和损伤扩展规律的重要手段，贯穿于试验的全过程，损伤及时识别是试验成功的关键要素之一[5]。目前飞机结构试验中的损伤识别主要采用目视检测、超声检测、涡流检测等传统的无损检测方法，试验中飞机金属结构损伤主要以裂纹为主[6,7]。国内研究人员也开展了基于导波、光纤光栅的结构健康监测系统设计研发[8,9]。但面向飞机结构地面强度试验损伤应用时,由于应用环境复杂、特征信号提取分析困难，存在事后诊断，尚不能满足飞机结构试验裂纹早期、及时识别的需求，迫切需要发展损伤在线测量与早期预警技术[10-12]。

本文针对飞机结构试验中对损伤及时发现、定位和监控的迫切技术需求，提出了基于阵列式银粉涂层的损伤检测方法，开发了阵列式银粉涂层裂纹在线测量与预警系统，并对该系统在结构试验中的工程适用性进行了试验验证，对基于银涂层的结构裂纹监测技术工程化和提升飞机结构强度试验损伤检测技术能力应用具有重要意义。

1 硬件系统设计

1.1 系统组成

面向飞机结构地面强度试验应用场景，为满足试验，尤其是全尺寸飞机结构疲劳试验中的多“热点”和长时间监测的应用需求，损伤监测系统应具有高可靠性、分布式、多通道等性能/功能。在基于银涂层裂纹监测原理的基础上，针对飞机结构地面试验应用需求和要求，本系统采用分布式、多通道设计的总体架构。本系统测量物理量为高低电平信号，系统由上至下分别为输入输出模块，接口电路模块，64 路数据采集卡，信号分析与处理器及工控机。系统框架组成如图1 所示。

图1 系统框架组成图

1.2 硬件系统设计

本系统硬件由银涂层传感器，传输导线，数据采集卡及工控机组成。裂纹在线测量与预警系统总体构成如图2 所示。

图2 硬件系统总体构成图

1.3 银涂层监测传感器

银涂层监测传感器是导体材料，将银粉按照特定工艺方案，涂布在待测结构表面，涂布在结构上的银粉形成预定设计形状和尺寸的环路银涂层传感器。其监测原理为：当结构被测位置发生裂纹时，由于结构裂纹的张力，使得银涂层传感器环路发生断路，测量银涂层传感器通断路，既可实现结构裂纹的监测。银粉涂层可以看作是对被监测基体裂纹敏感的导电传感器，它能够最简单直接的判断裂纹的有无，第一时间发现裂纹的产生并报警。银粉涂层传感器的形状和尺寸可以根据结构特点定制，不受结构材料、形状和尺寸的限制。

1.4 数据采集卡的选择

PCI-1733 数据采集卡，它是一款提供32 路隔离数字量输入卡，具有很宽的输入范围，适合于很多供电电源12VDC 和24VDC 的工业应用场景。1733 是一款PCI的总线卡，所有与总线相关的配置，都是由软件自动完成的，无须进行开关设置。图3为板卡的ID设置及管脚图。PCI-1733 提供32 路数字量输入接口通道，每个接口通道均可接收（5~30）V 范围内的电压输入量，每8 个接口通道共用一个外部地线接口。

图3 系统软件界面

根据现场实际情况布线，通道多并且监测点分散时，系统采用区域前置模块实现与多个阵列传感器的连接，前置模块与系统主机间可采用有线或者无线通讯，前置模块的应用降低了通讯电缆带来的附加重量和空间占用，一台主机可实现同时对多个区域的在线检测。

2 软件系统设计

本系统的软件系统由数据采集程序模块、数据处理及诊断程序模块和监测结果存储和实时显示程序组成，软件系统开发过程中采用G 语言。软件系统各模块程序功能为：数据采集程序模块—采集高低电平信号，储存到相应的板卡通道中；数据处理及诊断程序模块—将采集到的高低电平量转换为指示灯显示，诊断出异常并报警显示；监测结果存储和实时显示程序组成仪器程序—将裂纹长度数据保存至制定路径，拟合成曲线并显示。

2.1 软件系统程序开发

数据采集与数据处理采用生产者与消费者模式，生产者只进行数据采集，保证数据不丢失，比较费时的数据处理与界面显示让消费者去处理，未能及时处理的数据保存在队列中。

1）事件图

用于处理界面中的各种按钮的响应工作。其中包括开始、停止、复位、板卡资源的选择、菜单的响应、显示切换等功能。

2）数据采集

通过DAQ 对各通道的DI（IO 的通断）数据进行采集，并将数据存放至队列中以供数据处理线程使用。

3）数据处理

从队列中获取各通道的数据，根据对数据的判断，在界面上进行显示，断开则该通道显示为红灯，未断开该通道显示为绿灯，同时根据采集到的数据与时间进行曲线显示。

2.2 软件系统界面设计

结构疲劳裂纹在线测量与预警系统有32 通道采集单元模块，每个模块控制1 个通道采集信息。为了使系统软件具有良好的操作性和友好的人机交互性，每个通道模块设置有裂纹产生警示灯报警、通道初始裂纹设置、实时裂纹信息显示、裂纹扩展波形图显示和历史数据存储框，系统软件介面如图3 所示。

3 系统工程应用验证

本文以飞机机身壁板环向对接部件试验件为应用对象，监测试验中结构广布疲劳裂纹扩展情况，对结构疲劳裂纹在线测量与预警系统进行进行工程验证。

定时。种苗培育饲料投喂是关键，严格按照固定的时间投喂有利于鱼类尽快形成摄食习惯，便于鱼群集中等候。要求少量多餐，一般推荐一天投喂次数不少于四餐。即早上第一次投喂8：00-9：00，第二次10：00-11：00；下午第一次投喂14：00-15：00，第二次17：00-18：00。

该试验件通过加载端部的螺栓孔与夹具进行连接，试验件1 个长桁间距截面面积为258 mm2，试验件总横截面面积为2 004 mm2，试验中疲劳峰值载荷为147 682 N。疲劳试验中施加等幅谱载荷，最大载荷为147 682 N，应力比R=0.06，计划进行180 000 次循环试验。试验进行至100 000 次循环时，验件铆钉连接区域出现裂纹，此时应用银涂层裂纹在线监测系统对该裂纹的扩展进行监控。

监测区域为该试验件铆钉连接区域，铆钉两端已产生初始裂纹，在结构铆钉两端分别涂布阵列式银涂层传感器，传感器宽度一毫米以内，中心间距4 mm，银涂层传感器安装及连接如图4 和图5 所示。

图4 银涂层传感器安装示意图

图5 银涂层传感器接线图

对构疲劳裂纹在线测量与预警系统进行初始设置，各通道裂纹预警长度设置如表1 所示。

表1 裂纹预警长度设置表

完成银涂层传感器的安装和系统调试后，试验启动，此时因为银涂层传感器涂布裂纹上，监测系统通道4、通道5 和通道8 警示灯同时变红并报警，如图6 所示。这页证明此试验中银涂层传感器安装有效，具有良好的随附损伤性能。

图6 监测系统预警显示图

试验继续进行100 500 次循环载荷时，监测系统通道9 指示灯变红并报警，如图7 所示。

图7 试验中监测系统通道9 报警

试验进行到101 500 此循环时，通道3 指示灯变红并报警。立即停止试验，用渗透法对通道3 检测区域进行无损检测。经检测发现，通道3 传感器监测铆钉左侧裂纹长度25 mm，右侧裂纹长度23 mm，与系统监测结果一致，裂纹渗透检测结果如图8 所示。证明银涂层传感器对裂纹敏感性强，监测系统报警功能良好，在疲劳试验中采用该系统，辅助开展结构损伤检测，可以较好地试验结构损伤的在线监测和及时预警。

4 结论

本文面向飞机结构地面强度试验应用场景，设计开发了一种阵列式银粉涂层裂纹在线测量与预警系统软硬件，并以飞机常见金属疲劳裂纹为对象，开展了系统的应用验证。通过应用验证，得到以下结论：

2）该系统能够识别金属结构裂纹扩展并及时报警，在试验辅助无损检测进行结构损伤检测，提高检测效率，加速试验进度。

3）裂纹扩展监测的精度和灵敏度取决于银涂层本身的宽度和阵列间的宽度。对飞机结构金属结构裂纹监测，银涂层传感器的宽度可涂布在0.5 mm 左右，间距在2 mm 以内，可以满足结构试验裂纹监测精度要求，同时传感器涂布工艺具有较高的操作性和一致性。

4）该系统监测金属结构裂纹精度可达1 mm，灵敏度为4 mm。监测精度和灵敏度可通过工艺参数优化和改进可进一步提高。

图8 实际裂纹图

5）镀银层传感器涂布工艺要求要，大面积应用还需对镀银层传感器进行工程化封装改进。