便携式民用飞机复合材料智能敲击检测系统.pdf
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1、T H EP o R T A B L EI N T E L L l G E N TC o I N T A PT E S TS Y S T E Mo FC I V I LA I R C R A F TC o M P o S I T ES T R U C T U R E SY uS O N G,Y a n-j u nL IC o l l e g eo f C i v i l A v i a t i o n,N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,2 9Y u d a oS t
2、 r e e t,N a n f i n g2 1 0 0 1 6,C h i n aE-m a i l:h e n r y s o n g _ 1 9 8 4 1 6 3 c o mN o w,m o s tN D Tm e t h o d s(e l e c t r o m a g n e t i s mt e s t i n g,e d d yc u r r e n ti n s p e c t i n g,u l t r a s o n i ct e s t i n ga n dS oo n)o fc o m p o s i t eh a v eo w nt h e i rm e r
3、i t sO rd e f e c t sa n dr a n g eo fa p p l i c a t i o n T h i sp a p e rw i l li n t r o d u c ea ni n t e l l i g e n tc o i n t a pt e s ts y s t e mo fc i v i la i r c r a f tc o m p o s i t es t r u c t u r e W i t ht h ec h a r a c t e ro fh i g ha u t o m a t i cf a c i l i t y,p r o m p t
4、a n da c c u r a c y,t h i ss y s t e mc a nb ce m p l o y e di np r o d u c t i o na n dm a i n t e n a n c ef i e l do fc i v i la i r c r a f tc o m p o s i t es t r u c t u r e K e y w o r d s:C i v i la i r c r a f t,c o m p o s i t es t r u c t u r e,c o i n-t a pt e s t便携式民用飞机复合材料智能敲击检测系统宋育李艳
5、军21 0 0 1 6 江苏省南京市南京航空航天大学民航学院电了邮箱:h e n r y s o n g _ 1 9 8 4 1 6 3 c o r nf 1 前,常用的复合材料无损检测方法(电磁检测、涡流检测、超声检测等)均有自身的优缺点和适J 】范围。本文将介缁。种K j j 飞机复合材料智能敲击检测系统,该系统应J J 于比J I j 飞机复合材料结构的生产及维修现场,具有臼动化程度高、使J f J 简便、快速精确等特点。关键词:民用飞机,复合材料,敲击检测l 引言2 敲击检测技术原理上世纪7 0 年代初,波音等厂家开始研究用复合材料来减轻飞机结构重量。利用复合材料比强度高、比刚度高的独
6、特优点,用于飞机结构一卜质量可相应减少2 0 到3 0,此外复合材料还具有可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、便于人向秋整体成型等优点,凶此在航空航天领域的应用同益广泛。但与此同时,关于复合材料的无损检测也口益受到关注。在飞机复合材料检测巾,我们经常提到的有目视检测、电磁检测、涡流检测、超声检测等手段。它们中有的检测结果不够准确,有的虽然检测结果较为精确,但是对于设备,环境和检测时问都有着苛刻的要求。因此,业内人士越来越青眯那些检测精度高、便于携带、并-只对环境要求并刁i 苛刻的检测设备。接下来,本文就将介绍一种便携式民用飞机复合材料智能敲击检测系统。9 7 8-l-4 2 4 4 2 8 9 1
7、-5 0 8$2 5 0 0 2 0 0 8I E E E 5 7 0传统的敲击检测法是对器械的零部件进行粗略的检测。检测者用硬币、小锤等工具对被测件进行适力的敲击,并辨别被测件发出的“声音”,并用“大脑”识别出其中的变化,当被测件在内部有损伤或联接松动时,被S t H q:同有的物理特性发生了变化,与之对应,发出的“声音”也随之发生变化,于是,检测者根据听到的声音对被测件的损伤状况做出判断。现代数字敲击无损检测是利用传感器代替“耳朵”的作用用相关处理模块代替“大脑”的作用,利用加速度传感器采集被测件的振动特征,通过运后期处理,对被钡M-I:作出无损检测结果,从而摆脱了人的主观制约因素,不冉以
8、操作者的经验获取判断结果,更加客观、便捷,检测结果也更为准确。本文研究r f l,由于复合材料是具有固定物理特性的,激振后的自由振动受复合材料被测件本身的质量与材质特性(简化为刚性特征)影响。检测时,敲击可以理解为对被测件的瞬态激励过程。瞬态过程的特点是幅值衰减很快。图l 所示为锤击后质量块作有阻尼的自 】振动,即属于瞬态过程。图2 是简化后的复合材料被测件的力学模型,当然,这里省略了一些复杂的对系统影响相对较小的因素。更有利于建模模拟和科学计算。这是C a w l e y 在1 9 9 0 年首先提出的简化的力学模型,测算出简化后的力学模型对于实际振动周期的计算,精确率在8 0 一9 0 以
9、上。因此,此力学模型在实际工程开发中具有现实意义。图2 敲击检测力学简化模型F i g u r e2 T h es i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e lo f c o i n-t a pl e s t 简化为弹簧的实际弹性体可能是非线性的,但在振动的幅度很小时,弹性体的变形与受力之间的关系符合虎克定律,这样简化得到的就是线性弹簧,记k 为弹簧刚度。它定义为使弹簧长度发生单位变化所需要的力,刚度k 和质量m 在国际单位制(S I 制)中的单位分别是牛顿米(N m)和千克(k g)。用方块表示的质量块实际上是系统中运动部分的惯性的抽象,并且这里
10、应理解为仪具有质量m的质点;图l 中的弹簧实际上是系统中弹性的抽象,并且应理解为仅具有刚度k 的无质量弹簧。令x 为位移,以质量块的静平衡位置为丝标原点,当系统(被测件)受到敲击锤瞬态的激励时由5 7 l牛顿第二定律得到优譬=m g 一七(丑+工)(1)式中丑为弹簧在质量块的重量作用下的静变形,由于静平衡时有m g=七五(2)从式(1)得到弹簧质量系统的固有振动或自由振动微分方程:m 堂+k r=0(3)令嵋=后卿式中M _ 的单位为弧度,秒(t a d s),方程(3)可以写成j +记工=o(5)上式的通解为工=c Ic o s w,t+c 2s i n w t(6)其中c t,c 2 为任
11、意常数。式(6)就是系统(单自由度)的固有振动解,它给出了系统在无外激励存在时所可能发生的运动的集合,这集合中的任何运动都是等时性的简谐振动,而且振动频率均为z=尝=圭、仨(7)于是可得固有周期后T=2:r f=(8)Vk损伤通常包括分层、冲击损伤(可导致分层、松解和基体裂纹)、渗水等形式。当材料结构发生脱层、裂纹等损伤时,其固有刚性特性(1 0 c a ls t i f f n e s s)随之发生变化,崮有振动频率(周期)随之变化。由于损伤k 变小,周期T 则变大。敲击检测技术是基于此原理,深入运用发展而来的。当层压结构发生脱层损伤时,信号的脉冲持续时间会增加,从与良好件的脉冲持续时间上的
12、对比可以得到是否存在蒙皮下的脱层。工程中的实际结构的阻尼主要来源于材料的内摩擦及各部件连接界面的滑移阿l 尼,合称结构阻尼(又称滞后阻尼)。结构件局部存在损伤缺陷时,阻尼的变化很小。敲击检测巾,一般忽略损伤前后阻尼的微小变化对结构同有频率改变的微弱影响。复合材料的粘接结构中,无损伤材料的各层之间,或基底与纤维层之间都是紧密粘结的。如果产生损伤缺陷(未粘结),会产生不J 一的响应结果,此结果是由未粘结的局部区域的吲有刚性下降引起,导致与良好件在频率响应上产生差别。脱层损伤缺陷区域的同有频率会降低(以同材质良好件为标准),可以视为脱层区域产生隔膜,结构软化,这会引起航空结构件的质变,因此绝对禁止重
13、要结构件损伤严重的情况下继续飞行。敲击检测是实时原位检测方法,可以提供表皮下反常状况的及时回馈,这通常是目视检查无法发现的。如果结构的某一部位存在缺陷,如脱层、脱粘等,就会导致该部位的局部刚度的降低,从而导致该部位结构固有特性的改变,据此,就可以通过逐点敲击来检测结构的损伤位置。敲击在结构的无损伤区的撞击峰值力比有损伤区的峰值力高,并且在峰值附近,敲击在无损伤区的峰值力更尖锐。由于该方法考虑的是结构局部响应,因此,不受背景噪声的影响,可广泛用于对复合材料层合结构、蜂窝结构、胶接结构等工程结构的无损检测中。3 系统主要结构这套检测系统主要由敲击锤结构和信号采集,放大模块两部分组成。3 1 敲击锤
14、结构敲击锤的核心部件是传感器,本论文选用压电式加速度传感器采集初始振动信息。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。压电加速度传感器的优点是其园定频率高、高频(几千至几十千赫范围)响应好加速度的测量范围大,坚实牢同、体秋小、重量轻以及工作温度范围宽。压电材料价廉、简单且输出电压较大。当压电传感器在承受沿其敏感轴向的外力作用时,就会产生电荷,凶而可以把压电传感器看成为一个电荷源。受力作用后在压电材料电极表而聚集电荷,又可以把它看成是一个以压电材料为介质的电容器。由于压电传感器既是电荷源又是电容器,其等效电压为y=罟(1 0)I l 其等效电路可知,只有在外电路负载无穷大,内部无漏电时,传感器受力
15、产生的电压才能保存,否则将按指数规律放电。压电加速度传感器的力学模型如图3 1 所示,它是一个典型的单自f J 度二阶系统。可用下式表示r e(x+力+C H K x=0(11)式中m 为惯性质量,C 为阻尼系数,K 为弹性系数,x 为惯性质量块相对于传感器壳体的位移,夕为振动加速度。5 7 2(b)图3 压电加速度传感器力学模型。F i g u r e3 T h em e c h a n i c a lm o d e lo fp i e z o e l e c t r i ca c c e l c r o m e t c rs e n S O r 若绝对位移为:Y=s i n w t(1 2
16、)则(1)式变为r e x+C X I 红2 w 2s i n w t0 3)设f=C(2 砌),记=k m,压电加速度传感器与阻尼系数善相比可忽略不计,无阻尼谐振频率W n和物体振动频率W 在W n W 时,有,x=r_04)上式说明质量块得相对位移x 与物体振动加速度歹成正比。压电元件产生的电荷为Q=d m y(1 5)式中压电系数d 和质量肌是常数,故压电元件产生的电荷量Q 与加速度j;成正比。加速度传感器的固有频率与压电材料的厚度尺寸成反比,与同有振动速度成J 下比。本文选用传感器采用压电薄膜材料,提高压电加速度传感的固有频率,从而提高传感器工作频率上限。除此以外,敲击锤外部采用高绝缘
17、塑料材质,并采取了防潮密封措施。通过采用弹性合成塑料作为敲击锤与被测件接触的锤头部分,能够起到了同时保护被测件和传感器的良好效果。3 2 信号采集,放大模块本文选用芯片L M 6 1 3 4,构成信号平稳放大模块。其中,传感器由电池供电,把采集到的微小信号放大,以适于后续的信号处理。L M 6 1 3 4 受低电压能量支持,对信号做初步放大。高共模抑制比和高电源抑制比使得电路抑制零点漂移与共模信号、抑制电源失衡的能力强,保证了电路的精确度(参见图4)。L M 6 1 3 4 参数:1 0 M H z 的带宽最大支持3 6 0 I _ t A 的电流量输入共模电压范围(C M V R 表示输入信
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