基于涡流阵列传感器的金属结构裂纹监测方案可行性研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点和实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器,设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案,搭建了疲劳裂纹监测实验系统。通过建立监测系统的三维有限元仿真模型,得到传感器工作时感应磁场和磁位矢量的分布规律,验证了监测方案的可行性。通过设计疲劳裂纹扩展试验,确定了涡流阵列传感器定量监测能力。等幅程序载荷谱作用下2A12—T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:提出的涡流阵列传感器能够有效定量监测裂纹的扩展,裂纹监测方案是可行的,监测精度达到1 mm。仿真结果表明:传感器在工作时磁矢量位的分布关于激励线圈导线中心对称,在激励线圈导线中间达到最大值,同时裂纹存在时感应通道归一化跨阻抗幅值比增大10%。

基于半解析模型的花萼状涡流传感器损伤监测灵敏度分析

针对金属螺栓连接结构的孔边疲劳裂纹监测需求,介绍了一种具有柔性平面特点的花萼状涡流传感器,构建其损伤监测半解析模型,并通过半解析模型分析激励频率和传感器结构参数对监测灵敏度的影响,最后利用柔性电路板工艺制备出传感器,并进行2A12铝合金中心孔板试样疲劳损伤监测试验验证花萼状涡流传感器的疲劳裂纹监测能力。损伤监测灵敏度分析结果表明在不同提离距离下传感器具有最优灵敏度频率点,且随提离距离的增大,最优灵敏度值减小,最优频率点降低。传感器线圈厚度越小灵敏度越高,且感应线圈与激励线圈之间的水平间距越大则传感器的损伤监测灵敏度越大,而感应线圈与激励线圈宽度比值对传感器的损伤监测灵敏度影响较小。监测试验表明,除第一个通道以外,传感器其它感应通道归一化跨阻抗幅值随疲劳载荷次数变化曲线的拐点对应的即为裂纹扩展到相应通道下方的疲劳载荷次数,而第一个通道的拐点可以初步确定试件的累积损伤起始点。

贴附式涡流传感器损伤监测特性仿真与实验研究

为满足飞机结构裂纹扩展定量化监测和工程化应用的需求，探索MWM（Meandering Winding Magnetometer）传感器进行结构健康监控的可行性，设计了一种贴附式涡流阵列传感器并为传感器的工程化应用开展了仿真优化和实验研究。基于裂纹扩展分段监测的思路，传感器的感应线圈和激励线圈采用阵列化设计。通过将材料的电导率提取为结构的等效损伤参数，构建了传感器损伤监测正向半解析模型，并对线圈厚度和基材层厚度进行了优化。为验证传感器的监测能力，开展了程序载荷谱下的2A12-T4铝合金阳极氧化试件的疲劳裂纹扩展监测实验。仿真优化结果表明，传感器监测灵敏度随提离距离的增加而减小，传感器最优工作频率范围为0.3-0.7MHz。裂纹扩展监测实验结果表明，贴附式涡流传感器具备对金属结构进行实时损伤监测的能力，感应线圈的阵列化布置方式实现了裂纹扩展的定量监测，精度达到毫米级，同断口分析结果相比，平均监测误差为3.85%。

小波变换在飞机结构疲劳裂纹监测信号处理中的应用

考虑飞机金属结构疲劳裂纹监测的实际需求,论文提出了一种基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测方案,并搭建监测系统进行监测试验,通过小波分解去噪方法和小波变换模极大值方法对监测信号曲线进行去噪处理和奇异点检测分析。去噪结果表明消噪后四个感应通道信号曲线的RMSE在0.001左右,SNR在50左右,去噪效果良好。奇异点检测结果表明,不规则斜坡监测曲线的小波变换模值曲线在起始奇异点之后的模值较大,而且具有延续性。将各通道幅值比变化曲线中的起始奇异点作为特征点,通道1能够对累积损伤进行定量监测,通道2、3、4能够对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1mm。

基于半解析模型的涡流传感器优化设计与实验研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点与实时监测的需求，提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器，设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案，构建了传感器损伤监测半解析模型，搭建了基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实时监测平台。通过对涡流阵列传感器的仿真和基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实验研究，确定了传感器的监测灵敏度，优化了传感器的特征参数。研究结果表明：传感器基材层阻碍了感应线圈与激励线圈的耦合，基材层应尽量薄。当涡流阵列传感器导电层厚度为0．12—0．18mm，激励线圈的最优宽度为0．8min，感应线圈的最佳厚度为0．5mm时，传感器的损伤监测灵敏度最高。

复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。

花萼状涡流传感器及其飞机金属结构疲劳损伤监测试验研究

飞机金属结构疲劳损伤的实时在线监测,对于保证飞行安全是极其重要的。在文献[13]的基础之上,提出一种花萼状涡流传感器,并搭建基于该传感器的疲劳裂纹监测系统,进行程序载荷谱下的2A12-T4铝合金拉伸疲劳试验件的疲劳损伤在线监测试验,通过对比传感器监测结果和疲劳裂纹断口定量分析结果,对传感器的疲劳裂纹定量监测能力进行验证。监测试验结果与试件断口定量分析对比结果表明,在试件疲劳裂纹扩展过程中,传感器的各感应线圈通道的幅值比信号的变化较为明显,同时具有阶跃特征,当裂纹从一个感应线圈通道位置扩展至其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号会急剧增加,而当裂纹穿出其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号增加速度显著减缓;根据阶跃特性,将各感应线圈通道的幅值比信号开始快速增加的'拐点'作为裂纹前缘进入相应感应线圈通道的特征,花萼状涡流传感器可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;离疲劳源较近的感应线圈通道的幅值比信号可定性监测结构的疲劳累积损伤程度。

基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.

花萼状涡流阵列传感器裂纹扰动半解析模型构建

针对金属螺栓连接结构中螺栓孔位置处的裂纹损伤定量监测需求,在已有研究成果的基础之上,提出一种具有柔性平面特点的花萼状涡流阵列传感器,构建花萼状涡流阵列传感器裂纹扰动半解析模型,得到在三维结构裂纹下的传感器各感应通道扰动电压,并通过搭建实验装置验证裂纹扰动半解析模型的准确性。在模型构建过程中,通过对结构三维裂纹表面进行网格划分,以网格中心点处的自由电荷密度为未知待定系数,根据自由电荷边界条件以及扰动模型假设得到网格单元中心点处自由电荷密度所满足的线性方程组,并最终得到三维裂纹周围的自由电荷密度分布。裂纹扩展模拟实验结果表明,在3 MHz和6 MHz两种激励频率下,2A12-T4铝合金和不锈钢的扰动模型计算结果与实验测量结果比较吻合,传感器4个感应通道的扰动模型计算误差都在25%以内。

面向飞机结构健康监测的花萼状涡流传感器优化设计

针对飞机金属螺栓连接结构中螺栓孔孔边裂纹损伤定量监测需求,在Goldfine等研究基础之上,提出了一种花萼状涡流阵列传感器,并通过构建的半解析正向等效模型进行传感器结构参数优化设计;实施2A12-T4铝合金拉伸疲劳在线监测实验验证优化后花萼状涡流阵列传感器的裂纹定量监测能力.模型仿真结果表明,在不同感应线圈间距下激励线圈和感应线圈的宽度存在最优值.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:经频率点优选和结构优化设计后,将花萼状涡流传感器各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2、3、4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm;所提出的花萼状涡流传感器能实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测;可望将花萼状涡流传感器应用于实际飞机金属螺栓连接结构的结构健康监测之中.

基于柔性涡流传感器疲劳裂纹监测试验研究

结构健康监测对于保证飞行安全具有重要意义,底层涡流传感器是体系获取结构状态的重要组成。设计了柔性涡流传感器,搭建了预置裂纹监测系统,针对304奥氏体不锈钢、2A12—T4铝合金和TC4钛合金三种材料进行了预置裂纹监测试验。试验表明:对于电导率较小的304奥氏体不锈钢和TC4钛合金材料,最优监测频率增大;预置裂纹对涡流传感器跨阻抗幅值和相位影响不同,相对于幅值变化,相位变化较小;预置裂纹宽度增大会使得传感器跨阻抗变化率增大;柔性涡流传感器感应线圈实现了对裂纹长度的识别和定量监测。

钛合金结构疲劳损伤监测实验研究

飞机钛合金结构损伤的监测,对于保证飞行器的安全具有重要的意义。提出了一种涡流阵列传感器,并通过搭建监测系统,进行了TC4钛合金不同宽度裂纹扩展模拟监测实验研究。研究结果表明:当钛合金出现裂纹后,传感器各通道的输出信号与无裂纹的基准信号有较大的变化,并且随着裂纹宽度的增加,输出信号幅值比增大。同时,模拟监测实验研究表明:传感器能够准确地识别和定量监测裂纹,精度达到1mm。

一种新型空投用缓冲装置的设计

介绍了一种伞降空投用缓冲装置的设计原理、实现方法,以及缓冲装置的工作原理。计算及模拟投放实验表明,该装置能够达到设计要求,可有效减缓空投物资落地时的冲击力,而且能够防止物资落地时的反弹和侧翻,从而达到保护空投物资完好的目的。

预应力腐蚀对2A12-T4铝合金疲劳寿命的影响

进行了两种温度三种应力水平下2A12-T4铝合金试样在EXCO溶液中不同浸泡时间的预应力腐蚀试验,而后进行疲劳试验至试件断裂。采用多元方差分析,确定了腐蚀温度、浸泡时间和应力水平是影响试件疲劳寿命的显著因素,三者的共同作用会加剧试样的腐蚀,降低试样的疲劳寿命。根据试验结果,采用回归算法,建立了以腐蚀温度、浸泡时间和应力水平三参数表征的剩余疲劳寿命计算模型,理论值与试验值对比,二者误差约为25%。通过扫描电镜观察,分析了腐蚀温度、浸泡时间和应力水平对试件微观损伤的机理。

航空用纤维增强树脂基复合材料加筋板的剪切屈曲特性

对纤维增强树脂基复合材料加筋板进行了剪切试验,结合应变-剪切力曲线对加筋板的破坏形式以及屈曲特性进行了研究。结果表明:加筋板的破坏形式主要表现为筋条脱胶、断裂和蒙皮撕裂;蒙皮达到局部屈曲后,加筋板仍具有较大的后屈曲承载能力,其破坏载荷约为屈曲载荷的4.5倍。

贴附式涡流阵列传感器在裂纹监测上的应用

金属结构疲劳损伤监测是现代飞机结构健康监控的重点和难点,要求传感器具有高可靠性、高灵敏度并且能在恶劣环境中工作。针对飞机结构损伤监测中传感器的特点,采用阵列化的设计思想设计出一种基于柔性电路板工艺的新型涡流传感器。通过构建损伤监测模型,对传感器的参数进行了仿真优化。最后开展了程序载荷谱下2A12-T4铝合金材料的裂纹监测试验以及阳极氧化和电泳喷漆条件下的对比试验。结果表明,贴附式涡流阵列传感器能够定量监测裂纹的扩展,监测精度达到1mm。阳极氧化和电泳喷漆涂层阻碍了传感器对裂纹特征的有效感知,导致传感器的监测灵敏度降低。

铝合金结构疲劳裂纹监测研究

针对航空器金属结构裂纹扩展监测的特点和需要,文中提出了一种基于柔性平面的非对称涡流阵列传感器,构建了其半解析正向模型,优化了传感器工作频率、提离距离等参数。然后搭建了基于涡流阵列传感器的结构裂纹在线监测系统,开展了2A-12铝合金裂纹扩展监测实验。模型仿真结果表明:非对称涡流阵列传感器存在最优工作频率,随着提离距离的增加最优工作频率值减小。实验结果表明非对称涡流阵列传感器实现了对2A-12铝合金半孔板试样的实时裂纹监测,监测精度达到了1 mm。

ω-λ型涡流阵列传感器跨阻抗响应特性分析

针对金属螺栓连接结构的孔边疲劳裂纹监测需求,介绍了一种具有柔性平面特点的ω-λ型涡流阵列传感器,构建其损伤监测半解析模型,应用半解析模型并通过传感器跨阻抗双参数网格平面图,分析了不同激励频率下传感器跨阻抗输出信号对损伤输入参数的监测灵敏度.分析结果表明,传感器的电导率和磁导率监测灵敏度随提离距离增大而减小;在固定频率下,存在最优监测灵敏度的电导率点和磁导率点,且最优磁导率点随激励频率增大而增大,最优电导率点随激励频率增大而减小;存在磁导率临界值点,当磁性材料的磁导率达到临界值后点,传感器的跨阻抗输出随提离距离增大而减少.

基于花萼状涡流传感器的损伤监测智能垫片

针对飞机金属螺栓连接结构中螺栓孔孔边裂纹定量监测需求,提出了一种基于花萼状涡流传感器的损伤监测智能垫片,构建智能垫片监测半解析模型,分析垫片材料电磁属性对损伤监测效果的影响,并进行在线监测试验验证分析结果.半解析模型结果表明,智能垫片各个感应通道的幅值比变化量随垫片磁导率增大而增大,而随垫片电导率增大而减小.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明,铝合金和不锈钢材料的支撑垫片均能有效实现裂纹损伤的定量监测,但不锈钢材料的智能垫片其监测曲线比铝合金材料的智能垫片平滑,监测效果好.将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,通道1能够对累积损伤进行监测,通道2,3,4能够对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1mm.

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V材料在10~7循环周次以上同样会发生疲劳破坏.采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略.通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.