《飞机常见结构原位超声无损检测技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞机常见结构原位超声无损检测技术研究（140页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分类号殴! l 墨：2 墨UD C工学博士学位论文I S 飞机所有区域都要检测； 检测以日历间隔为基础； 检测间隔分为初始和重复检测间隔； 腐蚀分为轻微、严重和最严重三类，确认后应采取不同措施。其次，由于老龄飞机的无损检测一般都已制定了相应的探伤工艺，关键在于应对每一机型重新制定一个“附加检测文件”，在原有探伤工艺中补充一些检测项目，以发现一些不可预见的疲劳损伤。这要求我们能确认每种飞机的主要结构件( 其失效会导致灾难性事故) ，然后再确认其检测方法和步骤。我国在某些机种上已开展了这方面的工作。1 1 3 2 新机新材料的无损检测各种新型飞机都大量使用新材料，特别是钛合金和复合材料。如民用飞机
2、波音7 7 7 的尾翼和主梁部分、军用飞机F 1 5 和我国的一些直升机等都大量使用复合材料；S u - 2 7 飞机的机尾罩轮孔和起落架轮使用了钛合金材料 1 9 , 2 0 】。对这两类材料用通常的检测方法都不合适。对复合材料而言，检测的基本要求是能够大面积检测其分层及性能退化等，因此非接触检测技术更能发挥作用。目前空气耦合超声波检测、激光超声和红外热成像等技术在航空工业特别是外场检测中已被广泛采用。随着不少新型飞机的投产，研制出能在交货和将来维修时都能有效实施大面积检测的无损检测设备，对于民用飞机和军用飞机都同样重要，应当引起足够的重视。阵列涡流技术或相控阵超声检测技术对新机的检查可以发
3、挥重要作用，特别是阵列涡流技术对于检测涡轮叶片根部裂纹具有极佳的应用前景。全波形记录也是一种重要方法，存储的超声波波形可以用于扫查后的分析，对于飞机重要部件的全寿命监测可以起到重要作用。1 1 3 3 无损检测在飞机日历寿命研究中的作用飞机的寿命分为飞行小时寿命、起落次数和日历寿命。由于飞机结构受环境腐蚀的问题日益严重，不少飞机往往在远没有达到其飞行小时寿命的情况下，因关键结构腐蚀而提前退役或引起严重事故。因此，日历寿命一直是人们极为关心的问题，这方面的研究资料也十分丰富，主要包括加速腐蚀试验技术、建立腐蚀当量关系以及研究在腐蚀环境下飞机结构腐蚀损伤和疲劳寿命变化规律等。因此，为研究日历寿命，
4、首先必须研究日历损伤。人们对腐蚀程度的检测通常是利用超声或涡流测厚的原理，根据材料厚度的变化来确定腐蚀的严重程度和量级，但这些方法对早期腐蚀几乎无能为力。声发射技术在腐蚀早期预报方面可以发挥作用，有报道表明已利用声发射的波形第3 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文识别技术有效识别了腐蚀萌生阶段产生的卢发射信号，但从总体上讲，迄今为止人们仍没有建立一套比较系统的确定日历损伤的方法，因而也就缺少有效的确定日历寿命的科学依据。科学地确定日历寿命，对腐蚀状况进行监测、对结构的日历损伤程度进行检测至关重要，从目前发展情况看，除超声和涡流检测方法外，红外热成像技术和声发射监测技术都有可能在这一领域发挥
5、重要作用。1 1 3 4 无损检测在飞机疲劳裂纹扩展监测中的作用除腐蚀外，疲劳裂纹扩展也是飞机检测中经常遇到的一个问题。疲劳裂纹扩展是一个动态过程，能对这一过程进行监测的有声发射等技术。国外特别是美国航空部门及空军都在加紧研制机载声发射监测系统，但该技术存在的问题在于飞行过程中的高背景噪声使现有技术很难实用化。美国D u n e g a n 工程咨询公司研制了一种能在高背景噪声下检测疲劳裂纹扩展声发射信号的仪器A E S M A R T 2 0 0 1 ，已被美国洛克希德马丁公司用在P 3 0 R I O N 飞机上。1 1 4 课题研究意义飞机飞行和着陆时，由于承受巨大应力，在役飞机的结构件
6、可能产生裂纹。大多数部位由零部件借助于铆接或栓接连结在一起且呈多层结构，裂纹就可能产生于这些承力端，直至其扩散至表面前，目视、液体渗透、磁粉或涡流法不能很有效的检出缺陷，对于这些裂纹，应尽可能及早应用超声法检测。超声无损检测常用来检查较厚的主构件接头部位，如机翼和机身的接头及内机翼和外机翼梁的接头，超声无损检测也检查位于结构件间的接头、控制面和传动装置。表1 2 给出了超声无损检测在飞机原位无损检测中的主要检测部位及对应的波型选择。表1 2 飞机原位超声无损检测中的主要检测部位及波型选择超声波类型检测部位缺陷产生地点纵波机身机翼主结合螺栓根部及上下工作面主起落架轮毂充气嘴、螺钉孔附近铆钉铆钉头
7、、铆钉杆剪切面横波前起落架旋转臂焊缝焊缝内主起落架支柱焊缝焊缝内表面波主起落架活塞杆焊缝焊缝内主起落架轮毂轴套根部板波主液压油泵出口导管导管喇叭口而所检测的部位也包括了飞机相当一部分的承力部件。超声检测作为飞机原位无损检第4 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文测手段中的一种，具有十分重要的意义，特别是超声C 扫描，由于显示直观、检测速度快，已成为飞行器零件等大型构件普遍采用的检测技术。但是由于大型超声C 扫描系统需要喷水耦合，且多数为超声穿透法检测，只能在大的检测实验室进行。而使用中的飞机部件多为中空结构，超声穿透法对其无能为力。因而外场条件下的超声检测多数为传统的人工超声波A 扫描检测。
8、其优点在于可以逐点覆盖待测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便；同时它也存在局限性，如： 对材料及试块缺陷的精确定性、定量分析仍需要深入研究； 检测效率较低，很大程度上依赖于检测员的个人水平； 无法脱离耦合剂使用。因此，研究针对飞机原位检测的超声无损检测系统，并对检测数据加以现代信号处理方法的应用，以有效改进上述的局限性是十分必要的。1 2 超声无损检测的研究现状和热点超声无损检测( u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t ) 是五大常规无损检测方法( 超声、射线、磁粉、渗透和涡流) 之一。与其它方法相比，超声无损检测具有灵
9、敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低、设备相对简单、对人体无害等一系列优点，因此在机械制造、冶金、电子、航空航天、航海、石油化工、铁路运输等众多任务业领域中得到了广泛的应用，并在物理学、电子学、生物科学、医学等多种学科领域中占据了重要的地位 2 0 2 引。1 2 1 超声无损检测的国内外研究现状1 9 2 9 年，苏联S Y S o k o l o v 首先提出利用穿透法检查固体内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。随后德国的Q M u h l h a u s e r 于1 9 31 年得到了超声无损检测领域中的第一个专利，标志着超声无损检测的诞生【l 】；1 9 4 0
10、年，F i r e s t o n e 首次将声音定位原理用于材料的检测，在声纳技术的基础上，1 9 4 3 年S p e r r y 公司生产的F i r e s t o n e 仪器和伦敦K e l v i n & H u g h e s 公司生产的S p r o u l e 仪器为最早的脉冲回波超声检测仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤【l 】；1 9 4 5 年以后，出于对无损检测日益迫切的需要，超声无损检测逐渐成为人们普遍接受的实用工具。1 2 1 1 超声无损检测国外研究现状国外早在三四十年代就开始了超声波检测方面的研究。到2 0 世纪5 0 年代，A 型脉冲反射式超声波探伤仪已广泛
11、应用于先进工业国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。1 9 6 4 年，K r a u t k r a m e r 公司研制成功小型超声探伤仪，标志着跨入了近代超声无损检测的阶段。第5 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文在第九届亚洲和太平洋地区无损检测( A P C N D T ) 会议上1 24 | ，德国富朗霍夫研究所提出用超声波显微镜对金属包覆层材料压合面特征的研究，为改进压合工艺提供了可靠参数。日本制钢公司提出应用声压回波透射比分析钢板的结构，是基本理论应用于解决实际问题的一个典型例子。台湾新竹交大提出用声和超声研究金属板与橡胶板粘合面的结合质量。韩国仁和大学机械工程系提出用超声波评
12、价碳纤维复合材料( C P R P 9 ) 铝结合面的结合强度，日本K A N A S I 能源公司和T O H O K U 大学提出用超声波显微技术对球形样品疲劳破损的监测，印度预防研究和发展实验室提出对铝合金采用超声波、射线和层析照相的研究等，都从不同角度对超声无损检测技术在各工业领域的广泛应用提供了理论依据。国外在超声检测技术方面的研究重点是高性能的超声仪器和检测系统的开发，趋向于自动化、智能化和多种成像技术的研究。到目前为止，工业用超声检测大多停留在了解材料与构件内是否有缺陷，或凭经验大致判断缺陷的位置和大小。近期的理论与试验研究表明，采用多参量的超声数字综合处理与模式识别技术可给出检
13、测的量化结果 2 5 3 0 ，如缺陷的大小、位置、形状、性质( 空穴或夹杂等) 。超声无损检测分析的不仅仅是信号的时域，还有幅域、相域、倒频域等。引入了神经网络、小波算法等对信号进行处理【3 H 副；与断裂力学知识相结合，现代超声检测可望进一步对构件的强度与剩余寿命进行评估，这方面的成果已在发达国家的电力行业中得到初步应用。随着电子和计算机技术的发展，国外的数字式超声波检测设备已得到了相当程度的发展，如美国泛美公司生产的A R G U S 级大型超声波自动扫描检测系统采用全数字化高性能超声波采集分析系统，采样频率在1 0 0 M H Z 以上，多达3 2 通道，可实现A扫描、B 扫描、C 扫
14、描，并通过软件进行分析处理，达到了一定的智能化。国外还有很多大公司也在开展超声波探伤方面的研究，如美国的M E T E C 公司、德国的K K公司、法国的S O F R A T E S T 公司和西班牙的T E C H A T O M 公司等，这些公司生产的超声波检测系统在信号采集、分析、成像处理上技术水平较高，在世界上处于领先水平。1 2 1 2 超声无损检测国内研究现状8 0 年代中后期，我国便携式数字化超声波探伤仪的研制随大规模集成电路的发展也已开始形成规模生产，并得到推广使用【3 9 1 。如1 9 8 9 年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪( K
15、 S l 0 1 0 型) ，并于1 9 9 0年批量推向市场，与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪，其主要性能指标与当时国际国内同类仪器水平相当，目前该公司已生产出智能式、手推式、便携式彩色、数字式的多种金属超声波探伤仪，其技术、质量、产销量均占全国首位。1 9 9 3 年浙江大学现代制造工程研究所在国内首次开发成功了九自由度智能化超声检测系统，该系统具有复杂表面检测功能和A 扫描、B 扫描、C 扫描显示方式，并可通第6 页国防科学技术大学研究生院博士学位论文过与计算机的交互功能，实现对检测参数、检测过程的预设置。实现了中断续扫、实时分析、局部缩放等高级功能。1 9 9 8
16、年，国内首创取得高分子构件表面应力检测及可视化成果并开发出相应的应用系统。2 0 0 2 年，国内首创开发成功1 0 自由度大型复杂曲面工件超声彩色成像系统，汕头超声波研究所提出的D C S 曲线带宽的计算机模拟，为解决D G S 曲线近场理论曲线和实验曲线的长期不吻合，并为探头参数的改进和制作提供了重要的解决手段。对于数字化超声无损检测，国内的研究工作包括：清华大学、中国空间技术研究院、浙江大学等单位采用超声技术对复合材料中出现的缺陷进行了成像检测，取得了一定的研究成果。近年来，国内在超声无损检测技术与其它无损检测技术集成方面也有一些研究，相继开发出一些产品和检测设备【3 5 3 9 1 。例如，厦门爱德森电子有限公司研制了声脉冲和多频涡流技术一体化的仪器。中国矿业大学的孙金立等人开发出集超声、涡流和声阻三种探伤方法于一体的检测系统。在快速无损检测技术研究方面，国内近年来积极的开展了研究，方向主要集中在非接触式快速无损检测方法、多通道大面积快速扫描检测技术等几个方面。目前，已取得了一些进展，
