| 摘要： 在現在的經(jīng)濟觀點中，結構必須保持工作的時(shí)間要比初始預期的時(shí)間要長(cháng)的多。這(zhè)些結構的老化效應變得很顯著，并在确定關于這(zhè)些結構使用、維護和退役方案時(shí)必須考慮老化效應。
用于監控結構狀況的無損檢驗技術的發(fā)展是非常活躍的，且這(zhè)些發(fā)展主要集中于已存在結構現有壽命的延長(cháng)和維護費用的降低。 一種(zhǒng)快速、準确和成(chéng)本較低的結構監控方法是聲發(fā)射(AE)和超聲-聲發(fā)射(AU)，這(zhè)種(zhǒng)方法已被(bèi)證明非常可靠，并能(néng)檢測"局部"和"全局"。AE/AU技術可以在可能(néng)的災難性故障以前檢測結構缺陷，補充其他的無損檢測檢驗方法。AE/AU技術在預定的維護計劃中結構健康監控已被(bèi)證明是可靠的、合理的技術。這(zhè)是因爲在危及結構完整性和結構故障發(fā)生之前，中斷處可以産生可檢測到的聲發(fā)射。聲發(fā)射技術和超聲-聲發(fā)射技術可以應用于現在很多的老化結構問題，範圍涉及航天工業中的結構健康監控。确定混合複合材料結構由活動缺陷引起(qǐ)的不連續處。本文將(jiāng)檢驗這(zhè)種(zhǒng)技術，并讨論幾種(zhǒng)應用和監控案例。 介紹： 聲發(fā)射 (AE)是從材料中的損傷源快速釋放能(néng)量而産生的彈性應力波。這(zhè)些彈性波可以監測到并轉換成(chéng)壓電信号，這(zhè)些由安裝在材料表面(miàn)的小的壓電晶體傳感器完成(chéng)。傳感器響應通過(guò)前後(hòu)濾波器去除頻率低于100KHz的可聽得見的噪聲。結果表明即使是周圍的噪聲水平很高使用聲發(fā)射也能(néng)監控結構的活動損傷。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)于檢測幾百平方微米或更小的表面(miàn)上新形成(chéng)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)射應用特征的頻率範圍内使用超聲波方法。該技術能(néng)檢測和描繪單層和多層金屬、陶瓷和複合闆材料結構的差異。也能(néng)對(duì)微觀結構、金屬厚度和厚的複合材料進(jìn)行腐蝕及分布差異的檢測。AU使用脈沖發(fā)生器和接收傳感器以低超聲範圍内的共振頻率，結合波傳播動力學(xué)預測來檢測損傷。超聲波被(bèi)表面(miàn)和界面(miàn)反射回來，由于散射和吸收衰減，在反射和播送中模式發(fā)生變化。這(zhè)些結果主要依賴于波的頻率、方向(xiàng)、初始模式和表面(miàn)損傷的位置和方位。當結構發(fā)生損傷時(shí)，信号發(fā)生變化就(jiù)表示損傷類型。通過(guò)計算信号中給定的損傷類型和度的平均變化。可以從AU測量值來估算損傷。 結構健康狀态監控(SHM)系統： | 聲發(fā)射-直升機健康狀态和使用監控系統(AE-HUMS)是一種(zhǒng)用于直升機動力傳動系統中檢測損傷的裝置。該系統使用SH-60動力傳動系統(組成(chéng)見圖1)獲得的實驗數據研制而來。使用該數據顯示AE-HUMS系統有能(néng)力檢測動力傳動系統中不同部件的多種(zhǒng)損傷過(guò)程，能(néng)估算相對(duì)損傷危害度，及能(néng)識别損傷進(jìn)展，例如：裂紋擴展等。在副齒輪中擴展的裂紋能(néng)在故障發(fā)生前15分鍾檢測出來。 |
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| 同時(shí)，還(hái)能(néng)檢測和監控裂紋形成(chéng)前數小時(shí)由損傷引起(qǐ)的裂紋(如圖2)，有迹象表示將(jiāng)來對(duì)系統修改將(jiāng)允許裂紋的形成(chéng)和裂紋擴展，并可以與其他類型的損傷擴展區分開(kāi)來。在廣泛的應用範圍内AE-HUMS系統用來監控動力傳動系統、齒輪箱及轉動零件有很大的潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統提供了四個級别的損傷指标。每個通道(dào)顯示一個狀态條，四種(zhǒng)顔色中的一種(zhǒng)表示部件的一種(zhǒng)狀态。這(zhè)些顔色是：綠色表示通過(guò)情況；黃色表示可能(néng)的最小無擴展損傷；橙色表示明确的和嚴重的無擴展損傷；紅色表示嚴重的擴展損傷。無聲音報警。操作員可以關掉任一通道(dào)或整個系統。
飛機全尺寸疲勞試驗(FSFT)：現在的無損檢測技術,象超聲波、渦流和放射線照相術要求很高的經(jīng)過(guò)培訓的技術人員，花費很多時(shí)間尋找顯著區域，且經(jīng)常分解機架結構以确定裂紋位置和長(cháng)度。目前，檢測位置和間隔必須依據以前的缺陷統計特征。然後(hòu)必須在所有位置進(jìn)行無損檢測掃描來确定是否有真正的缺陷存在。使用聲發(fā)射允許通過(guò)裂紋擴展聲音識别點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗是依據在實際産品結構預先加載與服役中一樣(yàng)的循環載荷原理。試驗的自動加載系統在比實際運行服役短很多的時(shí)間段内提供很多次載荷循環。因爲強迫缺陷擴展，在維修它時(shí)要和實際操作規程一樣(yàng)。這(zhè)個試驗全部目的是确定疲勞臨界位置和在這(zhè)些位置上疲勞壽命和裂紋擴展特征。 |
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FSFT是載荷模式，即：疲勞載荷譜依據于實際運行數據。在早期産品階段(圖3)完成(chéng)全尺寸試驗通常使用很低危害的疲勞載荷譜(和多數飛行目前進(jìn)行載荷譜比較)，期望的飛行使用壽命也比現在要求機架壽命短。這(zhè)就(jiù)導緻要保持我們舊的飛行就(jiù)要求越來越多的FSFTS。
聲發(fā)射試驗是一項在應力狀态下"聽"結構的技術。在預加應力的結構中裂紋或缺陷發(fā)射聲波。這(zhè)些波通過(guò)結構傳播并由一組壓電晶體傳感器收集信号。這(zhè)些信号傳輸到基于儀器的計算機中來分析波形特征，通過(guò)比較在傳感器組中不同傳感器信号的到達時(shí)間，可以确定缺陷點所在的位置。
| 聲發(fā)射在F-15疲勞試驗上的應用主要集中于飛機上的幾個關鍵的結構(圖4)。主要感興趣的點是在機翼和機身之間的連接耳片。這(zhè)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)常在現場進(jìn)行檢測。機翼和機身固定耳片將(jiāng)機翼主梁與機身隔壁連成(chéng)一體，由2124鋁合金，7075鋁合金和6A1-4V钛鍛件加工而來。 |
| 即使使用最現代的傳統檢測技術确定疲勞裂紋的位置也常常很困難。聲發(fā)射有告訴檢測人員什麼(me)時(shí)間什麼(me)區域檢測的能(néng)力。用這(zhè)個系統可以節省試驗停車時(shí)間，減少試驗樣(yàng)機發(fā)生災難性故障的機率，用該系統獲得較好(hǎo)地對(duì)裂紋形成(chéng)的理解。這(zhè)種(zhǒng)類型的儀器(圖5)對(duì)疲勞研究是非常有用的，總有一天我們將(jiāng)看到空中聲發(fā)射監控設備作爲一種(zhǒng)重要的監控系統。圖6和圖7所示爲傳感器和前置放大器在FST飛機上的位置。 |
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圖8.DC-XA 技術驗證和火箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器安裝位置 |
飛行聲發(fā)射（AE）作爲一種(zhǒng)健康狀态管理試驗在DC-XA三角機翼運輸機技術驗證機上獲得了成(chéng)功地驗證。AE系統作爲商業可買到的儀器單元修改用于自動控制和重設計AEFIS，AEFIS表示聲發(fā)射飛行儀器系統。聲發(fā)射技術預示著(zhe)對(duì)滿足新的要求有了希望：能(néng)監控和反饋關于結構、燃油箱和燃油系統狀态的信息并傳遞給機載計算機。未來空間旅行的最關心的問題之一就(jiù)昌微隕石沖擊，它能(néng)碰擊飛行器上升、下降及在軌道(dào)上運動，特别是複合材料結構逐步成(chéng)爲主流。在飛行器上用聲發(fā)射，它能(néng)被(bèi)動地"聽"結構并确定沖擊發(fā)生的位置。一旦發(fā)生沖擊，系統确定沖擊部位并評估它的危害度。确定位置以後(hòu)，系統橫過(guò)沖擊區域完成(chéng)AU試驗：主動發(fā)射脈沖到AE傳感器及獲得收到的數字化波形并和地面(miàn)标定獲得的波形進(jìn)行比較。然而這(zhè)個試驗結果進(jìn)入人工智能(néng)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)生在陶瓷熱防護罩上，就(jiù)可以從分裂及燃燒掉的狀況前挽救結構。) 象前面(miàn)提到的，AEFIS最初設計作爲一種(zhǒng)原型反饋關于LH2箱結構和工作環境，包括溫度極限、振動和背景噪聲等信息。其他技術挑戰有：
·修改标準的AE系統不用主動冷卻就(jiù)能(néng)工作；
·通過(guò)濾波器去除高背景聲音和電噪聲；
·去除電磁幹涉(EMI)；
·随狀态更新能(néng)直接與火箭PC機通信，自檢查和指示；
·由結構完整性分析數據并將(jiāng)數據相關聯；
·由火箭飛行器提供飛行數據基線。
| 研制一套AEFIS裝置可能(néng)采用現成(chéng)的産品將(jiāng)超過(guò)6個月時(shí)間。在飛行器内部將(jiāng)最後(hòu)的配置安裝到著(zhe)陸腳支柱上，將(jiāng)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PC機帶後(hòu)闆CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE闆，一塊24VDC電源用飛行器動力并且是固體狀态硬件驅動。最後(hòu)配置尺寸爲6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可移動零件(圖10)。軟件來自标準軟件，在安裝過(guò)程中允許有多種(zhǒng)選擇增加自控自檢能(néng)力，系統狀态I/O及通過(guò)母系連接加載/下載能(néng)力等特征。母系連接常用來加載新的試驗配置和下載試驗數據，通過(guò)位于飛行器外面(miàn)的一面(miàn)闆接入的筆記本電腦完成(chéng)。 |
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使用的傳感器也是現成(chéng)的産品并包括三種(zhǒng)不同類型，選擇傳感器根據它們的頻率響應、大小、靈敏度及在火箭中燃料加載，飛行和著(zhe)陸過(guò)程中承受苛刻溫度和振動振蕩的能(néng)力，圖11所示爲三種(zhǒng)傳感器中的兩(liǎng)種(zhǒng)及它們的大小。 總結： 從這(zhè)裡(lǐ)報導的工作中很明顯聲發(fā)射和聲-超聲波在航天無損檢驗和健康狀态監控技術中有一席之地。同時(shí)這(zhè)裡(lǐ)所說(shuō)的兩(liǎng)個系統都(dōu)是最新研制的。非常明顯以前非常困難和不可能(néng)檢測的結構中裂紋和分層現在用上面(miàn)兩(liǎng)系統可以解決。這(zhè)些系統的工作目前研制其他系統并應用于這(zhè)樣(yàng)的平台：X-34和Delta火箭。 緻謝: 我們將(jiāng)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。 | 
