| 摘要： 在現在的經濟觀點中，結構必須保持工作的時間要比初始預期的時間要長的多。這些結構的老化效應變得很顯著，并在確定關于這些結構使用、維護和退役方案時必須考慮老化效應。
用于監控結構狀況的無損檢驗技術的發展是非常活躍的，且這些發展主要集中于已存在結構現有壽命的延長和維護費用的降低。 一(yi)種快(kuai)速、準確和成本(ben)較(jiao)低的結構監控方法是聲發(fa)射(AE)和超聲-聲發(fa)射(AU)，這(zhe)種方法已被證明非常(chang)可(ke)(ke)(ke)靠(kao)(kao)，并能(neng)檢(jian)(jian)測(ce)"局部"和(he)(he)"全(quan)局"。AE/AU技(ji)(ji)術(shu)(shu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)在(zai)(zai)可(ke)(ke)(ke)能(neng)的(de)災難(nan)性故(gu)障以(yi)(yi)前(qian)檢(jian)(jian)測(ce)結(jie)(jie)構缺陷，補充其他(ta)的(de)無損檢(jian)(jian)測(ce)檢(jian)(jian)驗(yan)方法。AE/AU技(ji)(ji)術(shu)(shu)在(zai)(zai)預定(ding)的(de)維護計劃中(zhong)結(jie)(jie)構健康(kang)監(jian)控(kong)已被證明是可(ke)(ke)(ke)靠(kao)(kao)的(de)、合理的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。這(zhe)是因為在(zai)(zai)危及(ji)結(jie)(jie)構完整(zheng)性和(he)(he)結(jie)(jie)構故(gu)障發(fa)生(sheng)之(zhi)前(qian)，中(zhong)斷(duan)處可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)產生(sheng)可(ke)(ke)(ke)檢(jian)(jian)測(ce)到(dao)的(de)聲發(fa)射(she)(she)。聲發(fa)射(she)(she)技(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)(he)超聲-聲發(fa)射(she)(she)技(ji)(ji)術(shu)(shu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)應用于現(xian)在(zai)(zai)很多的(de)老(lao)化結(jie)(jie)構問題，范圍涉及(ji)航天工業中(zhong)的(de)結(jie)(jie)構健康(kang)監(jian)控(kong)。確定(ding)混合復合材料結(jie)(jie)構由活(huo)動缺陷引起的(de)不(bu)連續(xu)處。本文將(jiang)檢(jian)(jian)驗(yan)這(zhe)種技(ji)(ji)術(shu)(shu)，并討(tao)論幾(ji)種應用和(he)(he)監(jian)控(kong)案例。 介紹： 聲發射 (AE)是從材料中的損傷源快速釋放能量而產生的彈性應力波。這些彈性波可以監測到并轉換成壓電信號，這些由安裝在材料表面的小的壓電晶體傳感器完成。傳感器響應通過前后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射也能監控結構的活動損傷。聲發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程。對于檢測幾百平方微米或更小的表面上新形成的裂紋，聲發射有足夠的靈敏度。
超聲-聲發射(AU)是在具有聲發射應用特征的頻率范圍內使用超聲波方法。該技術能檢測和描繪單層和多層金屬、陶瓷和復合板材料結構的差異。也能對微觀結構、金屬厚度和厚的復合材料進行腐蝕及分布差異的檢測。AU使用脈沖發生器和接收傳感器以低超聲范圍內的共振頻率，結合波傳播動力學預測來檢測損傷。超聲波被表面和界面反射回來，由于散射和吸收衰減，在反射和播送中模式發生變化。這些結果主要依賴于波的頻率、方向、初始模式和表面損傷的位置和方位。當結構發生損傷時，信號發生變化就表示損傷類型。通過計算信號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。 結構健康狀態監(jian)控(SHM)系統： | 聲發射-直升機健康狀態和使用監控系(xi)統(tong)(tong)(AE-HUMS)是一種用于(yu)直升機動(dong)力(li)傳(chuan)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)檢測(ce)損(sun)傷(shang)的(de)裝置(zhi)。該系(xi)統(tong)(tong)使用SH-60動(dong)力(li)傳(chuan)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)(組成(cheng)見圖(tu)1)獲得的(de)實驗(yan)數(shu)據(ju)研制而(er)來。使用該數(shu)據(ju)顯(xian)示AE-HUMS系(xi)統(tong)(tong)有能力(li)檢測(ce)動(dong)力(li)傳(chuan)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)不同部件的(de)多種損(sun)傷(shang)過程，能估算相對(dui)損(sun)傷(shang)危害度，及能識(shi)別損(sun)傷(shang)進展(zhan)，例如：裂(lie)紋擴展(zhan)等。在副齒輪中(zhong)擴展(zhan)的(de)裂(lie)紋能在故(gu)障發生(sheng)前15分鐘檢測(ce)出來。 |
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| 同(tong)時(shi)，還能檢測(ce)和(he)監控裂(lie)(lie)紋形成(cheng)前(qian)數小時(shi)由損傷(shang)引起的(de)(de)裂(lie)(lie)紋(如(ru)圖2)，有跡象表示(shi)將(jiang)來對系統(tong)修改將(jiang)允(yun)許裂(lie)(lie)紋的(de)(de)形成(cheng)和(he)裂(lie)(lie)紋擴展(zhan)(zhan)，并可以與其他類(lei)型的(de)(de)損傷(shang)擴展(zhan)(zhan)區分開來。在廣(guang)泛的(de)(de)應用(yong)范圍內AE-HUMS系統(tong)用(yong)來監控動(dong)力傳動(dong)系統(tong)、齒輪箱及轉動(dong)零件有很(hen)大的(de)(de)潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統提供了四個級別的損傷指標。每個通道顯示一個狀態條，四種顏色中的一種表示部件的一種狀態。這些顏色是：綠色表示通過情況；黃色表示可能的最小無擴展損傷；橙色表示明確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過培訓的技術人員，花費很多時間尋找顯著區域，且經常分解機架結構以確定裂紋位置和長度。目前，檢測位置和間隔必須依據以前的缺陷統計特征。然后必須在所有位置進行無損檢測掃描來確定是否有真正的缺陷存在。使用聲發射允許通過裂紋擴展聲音識別點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗(yan)是(shi)依(yi)據在(zai)(zai)實際(ji)產品結構預先加(jia)載與服(fu)役中一樣(yang)的(de)循環(huan)載荷原理(li)。試驗(yan)的(de)自(zi)動加(jia)載系統(tong)在(zai)(zai)比實際(ji)運行服(fu)役短很多的(de)時間段內(nei)提供很多次(ci)載荷循環(huan)。因為強迫缺陷擴(kuo)(kuo)展，在(zai)(zai)維修它時要和(he)實際(ji)操作規程一樣(yang)。這(zhe)個試驗(yan)全部目的(de)是(shi)確定疲勞臨界位置和(he)在(zai)(zai)這(zhe)些位置上疲勞壽命(ming)和(he)裂紋擴(kuo)(kuo)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。在早期產品階段(圖3)完成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。這就導致要保持我們舊的飛行就要求越來越多的FSFTS。
聲發射試驗是一項在應力狀態下"聽"結構的技術。在預加應力的結構中裂紋或缺陷發射聲波。這些波通過結構傳播并由一組壓電晶體傳感器收集信號。這些信號傳輸到基于儀器的計算機中來分析波形特征，通過比較在傳感器組中不同傳感器信號的到達時間，可以確定缺陷點所在的位置。
| 聲發射在(zai)F-15疲勞(lao)試驗上的(de)(de)(de)(de)應(ying)用主(zhu)要(yao)(yao)集(ji)中于飛機(ji)(ji)上的(de)(de)(de)(de)幾個關鍵的(de)(de)(de)(de)結構(圖4)。主(zhu)要(yao)(yao)感興趣的(de)(de)(de)(de)點是在(zai)機(ji)(ji)翼(yi)和機(ji)(ji)身之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)連(lian)接耳片(pian)。這些中間的(de)(de)(de)(de)和主(zhu)翼(yi)梁上的(de)(de)(de)(de)耳片(pian)在(zai)工作過程承受(shou)巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)載荷并經常(chang)在(zai)現場進行(xing)檢測。機(ji)(ji)翼(yi)和機(ji)(ji)身固定(ding)耳片(pian)將機(ji)(ji)翼(yi)主(zhu)梁與機(ji)(ji)身隔壁(bi)連(lian)成一體，由2124鋁(lv)合(he)金，7075鋁(lv)合(he)金和6A1-4V鈦(tai)鍛件加工而來。 |
| 即(ji)使使用最現(xian)代的傳統(tong)(tong)檢(jian)測(ce)(ce)技術(shu)確定疲勞裂紋的位(wei)(wei)置(zhi)也常(chang)常(chang)很困難。聲(sheng)發射有(you)告訴(su)檢(jian)測(ce)(ce)人員(yuan)什(shen)么時間什(shen)么區域檢(jian)測(ce)(ce)的能力。用這個系統(tong)(tong)可以節省(sheng)試(shi)驗停(ting)車時間，減少(shao)試(shi)驗樣機(ji)發生(sheng)災難性(xing)故障的機(ji)率(lv)，用該系統(tong)(tong)獲得較好地(di)對裂紋形成的理解。這種類(lei)型的儀器(qi)(圖5)對疲勞研究(jiu)是非常(chang)有(you)用的，總有(you)一天我們將看到空中聲(sheng)發射監控(kong)設(she)備作(zuo)為(wei)一種重要的監控(kong)系統(tong)(tong)。圖6和圖7所示(shi)為(wei)傳感器(qi)和前置(zhi)放大器(qi)在FST飛機(ji)上的位(wei)(wei)置(zhi)。 |
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圖(tu)8.DC-XA 技術驗證和火(huo)箭(jian) |
圖9.AEFIS and AE 傳感器安裝位置 |
飛行聲發射（AE）作為一種健康狀態管理試驗在DC-XA三角機翼運輸機技術驗證機上獲得了成功地驗證。AE系統作為商業可買到的儀器單元修改用于自動控制和重設計AEFIS，AEFIS表示聲發射飛行儀器系統。聲發射技術預示著對滿足新的要求有了希望：能監控和反饋關于結構、燃油箱和燃油系統狀態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昌微隕石沖擊，它能碰擊飛行器上升、下降及在軌道上運動，特別是復合材料結構逐步成為主流。在飛行器上用聲發射，它能被動地"聽"結構并確定沖擊發生的位置。一旦發生沖擊，系統確定沖擊部位并評估它的危害度。確定位置以后，系統橫過沖擊區域完成AU試驗：主動發射脈沖到AE傳感器及獲得收到的數字化波形并和地面標定獲得的波形進行比較。然而這個試驗結果進入人工智能化(AI)算法以便給進行下一步或不進行下一步命令(即：如果損傷發生在陶瓷熱防護罩上，就可以從分裂及燃燒掉的狀況前挽救結構。) 象前面提到的，AEFIS最初設計作為一種原型反饋關于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：
·修改標準的AE系統不用主動冷卻就能工作；
·通過濾波器去除高背景聲音和電噪聲；
·去除電磁干涉(EMI)；
·隨狀態更新能直接與火箭PC機通信，自檢查和指示；
·由結構完整性分析數據并將數據相關聯；
·由火箭飛行器提供飛行數據基線。
| 研制一套(tao)AEFIS裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)可能(neng)采用現成的(de)產品將(jiang)(jiang)超(chao)過(guo)6個(ge)月時間。在飛行器(qi)(qi)內部將(jiang)(jiang)最后的(de)配置(zhi)(zhi)安(an)裝(zhuang)(zhuang)到著陸腳(jiao)支柱上(shang)，將(jiang)(jiang)AE傳感器(qi)(qi)由電纜連到LH2箱上(shang)并包(bao)括(kuo)前(qian)置(zhi)(zhi)放大器(qi)(qi)(圖(tu)9)。該裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)使用耐(nai)用的(de)工業PC機帶后板(ban)(ban)CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE板(ban)(ban)，一塊24VDC電源用飛行器(qi)(qi)動(dong)(dong)力(li)并且是固(gu)體狀(zhuang)態硬件(jian)(jian)驅動(dong)(dong)。最后配置(zhi)(zhi)尺寸(cun)為6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可移動(dong)(dong)零(ling)件(jian)(jian)(圖(tu)10)。軟件(jian)(jian)來(lai)自標準軟件(jian)(jian)，在安(an)裝(zhuang)(zhuang)過(guo)程中允許(xu)有多(duo)種選擇(ze)增加自控自檢能(neng)力(li)，系統(tong)狀(zhuang)態I/O及通過(guo)母系連接(jie)加載(zai)/下載(zai)能(neng)力(li)等特征。母系連接(jie)常用來(lai)加載(zai)新的(de)試驗(yan)配置(zhi)(zhi)和下載(zai)試驗(yan)數(shu)據(ju)，通過(guo)位于飛行器(qi)(qi)外面的(de)一面板(ban)(ban)接(jie)入的(de)筆記本電腦(nao)完成。 |
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使用(yong)的傳感(gan)器也是(shi)現成的產品并包括(kuo)三種不(bu)同類型，選擇(ze)傳感(gan)器根(gen)據它(ta)們(men)的頻率響(xiang)應、大小(xiao)、靈敏度及(ji)在火(huo)箭中(zhong)燃料加載，飛行(xing)和著陸過程中(zhong)承(cheng)受(shou)苛(ke)刻溫度和振動振蕩(dang)的能力(li)，圖11所示為三種傳感(gan)器中(zhong)的兩種及(ji)它(ta)們(men)的大小(xiao)。 總結： 從(cong)這(zhe)里(li)(li)報導的(de)工作(zuo)中很明顯(xian)(xian)聲發(fa)射和聲-超(chao)聲波(bo)在航天無損檢(jian)驗和健康狀態監控技(ji)術中有(you)一席(xi)之地。同時這(zhe)里(li)(li)所說的(de)兩個(ge)系(xi)(xi)統(tong)都是(shi)最新研制(zhi)的(de)。非常(chang)明顯(xian)(xian)以前非常(chang)困(kun)難(nan)和不可能(neng)檢(jian)測的(de)結(jie)構中裂紋和分層現在用上面(mian)兩系(xi)(xi)統(tong)可以解決。這(zhe)些(xie)系(xi)(xi)統(tong)的(de)工作(zuo)目前研制(zhi)其他系(xi)(xi)統(tong)并(bing)應用于這(zhe)樣(yang)的(de)平臺：X-34和Delta火箭。 致(zhi)謝: 我們(men)將非(fei)常感謝(xie)：航(hang)空和(he)司(si)令部AATD的Bruce Thompson 及Boeing 公(gong)司(si)的Gerry Nissen 和(he) Jerry Huang，感謝(xie)對本文工(gong)作的支持。 | 
