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《機械設計與制造工程雜志》2014年第六期

1金屬疲勞裂紋的聲發射檢測試驗

1．1試驗儀器檢測設備采用美國PAC公司的8通道DiSP聲發射系統，包括信號采集儀(具有分析和定位功能)、傳感器(諧振頻率150kHz)、前置放大器和電纜等。信號采集過程如圖1所示。疲勞試驗在10t的INSTRON試驗機上進行，采用常幅譜加載，試驗機相對動態誤差為2%，相對靜態誤差為1%。

1．2試驗步驟第1步，制作試驗件。設計制作了若干件犬骨型帶孔鋁合金板試驗件，材料為LY12CZ，中心孔直徑10mm，板厚4mm，試件在試驗機上的夾持長度為50mm，如圖2所示。第2步，布置傳感器。孔邊為應力集中部位，因此沿試件縱軸在孔周圍對稱布置2個傳感器，間距80mm，同時沿縱軸標定A、B兩點用于斷鉛校準和聲速測定，A、B兩點距孔中心均為25mm。第3步，設置采集儀器參數。將2個傳感器設置為線性定位組，事件定義值為80mm，事件閉鎖值為160mm，過定位值為16mm。根據調試結果，其他采集參數設定見表1。每一試件在檢測前均用斷鉛打點確定聲速并保證傳感器信號良好，其余參數設置不變，確保試驗檢測的一致性。第4步，對每一試件進行疲勞拉－拉試驗。由多名合格檢測人員進行獨立檢測，互不干擾，記錄聲發射報警以及首次發現裂紋時的信號數據和裂紋長度。聲發射參數選用幅度、能量和計數等描述信號變化情況。在試驗前準備好20倍放大鏡用于目視檢測，以驗證聲發射檢測結果。

2檢測數據的統計分析

2．1裂紋檢測概率根據1．1節討論，取Pi=0．5，δ=0．12，在95%置信水平下，計算聲發射裂紋檢測概率至少需要nmin=67件試驗件。對每件試件實驗時進行聲發射檢測，研究中采用參數濾波與空間濾波相結合的方法，對異常信號運用趨勢分析和關聯分析法進行損傷判斷，實際共完成75件鋁合金板的疲勞裂紋檢測，其中有效檢測69件，成功發現裂紋61件。檢測情況表明，通過對幅度和能量等特征參數的分析，可有效預報金屬裂紋萌生及擴展，且幅度比其他參數更加直觀穩定，其提示異常時發現的裂紋長度約為0．5mm～2．0mm。典型聲發射檢測信號如圖3所示。各試件檢測結果及檢出裂紋時的幅度統計情況見表2，其中，xi表示裂紋檢出結果，檢出記為“1”，未檢出為“0”，檢出率為p。由1．1節知，裂紋檢測結果只有檢出和漏檢2種，檢測結果總體X服從兩項分布B(1，p)，且n=69，m=61，uα/2=1．96。首先，利用式(2)計算得到聲發射對金屬疲勞裂紋(裂紋長度＜2．0mm)的檢測概率p在95%置信度下的置信區間為(80．90%，95．96%)，其次由式(6)計算出檢測概率p的貝葉斯估計值為87．3%。

2．2裂紋檢出信號參數的統計分析對表2中聲發射幅度進行統計分析，按區間分類后列于表3。采用非參數統計法研究幅度的總體分布，其中k=4，各區間理論概率值的計算結果見表4。在0．01顯著水平下，由式(7)得，χ20．01(1)=6．63＞6．37。由1．3節假設檢驗知識，計算得到信號幅度體服從分布N(66．48，7．32)，進而可以通過其分布規律來預測聲發射出現異常信號時進行損傷判斷的檢測可靠性，如圖4所示。從裂紋檢出信號幅度的分布曲線可以分析出，幅度為70dB時，初步判斷結構產生裂紋的概率為68．4%;當幅度達到75dB時，檢測人員有87．9%的可靠性判斷結構已經出現損傷。這樣在完成具有一定可靠性的異常信號初判基礎上，再采取相應聲發射信號特征分析，如趨勢分析和關聯分析法進行詳細結構損傷判斷，可以進一步提高聲發射檢測效率。

3結束語

本文通過實驗的方法研究了聲發射技術對一定長度金屬疲勞裂紋的檢測概率，以及判斷結構損傷的信號閾值問題，可為聲發射檢測復雜航空結構、提高聲發射檢測效率，以及確定結構疲勞壽命提供支持。需要說明的是，由于本文試驗件是由飛機結構中提取的典型形式，因此這些結論針對具體結構件，在一定條件下成立。實際檢測時，對不同結構應保證聲發射檢測設備的采集信號處于正常水平，進而參考本文結論完成結構損傷檢測。

作者：韓暉肖迎春白生寶劉國強梁棟單位：中航工業飛機強度研究所全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室