| 摘要： 在現在的經濟觀點中，結構必須保持工(gōng)作的時間要比初始預期的時間要長(cháng)的多(duō)。這些結構的老化效應變得很顯著，并在确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(jì)術(shù)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(cháng)和維護費(fèi)用的降低(dī)。 一(yī)種快速、準确和成本較低(dī)的結構監控方法是聲發射(AE)和超聲-聲發射(AU)，這種方法已被證明非常可靠，并能(néng)檢測"局部"和"全局"。AE/AU技(jì)術(shù)可以在可能(néng)的災難性故障以前檢測結構缺陷，補充其他的無損檢測檢驗方法。AE/AU技(jì)術(shù)在預定的維護計劃中結構健康監控已被證明是可靠的、合理的技(jì)術(shù)。這是因為(wèi)在危及結構完整性和結構故障發生(shēng)之前，中斷處可以産生(shēng)可檢測到(dào)的聲發射。聲發射技(jì)術(shù)和超聲-聲發射技(jì)術(shù)可以應用于現在很多(duō)的老化結構問題，範圍涉及航天工(gōng)業(yè)中的結構健康監控。确定混合複合材料結構由活動缺陷引起的不連續處。本文将檢驗這種技(jì)術(shù)，并讨論幾種應用和監控案例。 介紹： 聲發射 (AE)是從(cóng)材料中的損傷源快速釋放(fàng)能(néng)量而産生(shēng)的彈性應力波。這些彈性波可以監測到(dào)并轉換成壓電(diàn)信号，這些由安裝在材料表面的小(xiǎo)的壓電(diàn)晶體傳感器(qì)完成。傳感器(qì)響應通(tōng)過前後濾波器(qì)去除頻率低(dī)于100KHz的可聽得見(jiàn)的噪聲。結果表明即使是周圍的噪聲水(shuǐ)平很高(gāo)使用聲發射也能(néng)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(xiǎo)的表面上(shàng)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範圍内使用超聲波方法。該技(jì)術(shù)能(néng)檢測和描繪單層和多(duō)層金屬、陶瓷和複合闆材料結構的差異。也能(néng)對微觀結構、金屬厚度和厚的複合材料進行腐蝕及分布差異的檢測。AU使用脈沖發生(shēng)器(qì)和接收傳感器(qì)以低(dī)超聲範圍内的共振頻率，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(shēng)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(shēng)損傷時，信号發生(shēng)變化就(jiù)表示損傷類型。通(tōng)過計算(suàn)信号中給定的損傷類型和度的平均變化。可以從(cóng)AU測量值來估算(suàn)損傷。 結構健康狀态監控(SHM)系統： | 聲發射-直升機(jī)健康狀态和使用監控系統(AE-HUMS)是一(yī)種用于直升機(jī)動力傳動系統中檢測損傷的裝置。該系統使用SH-60動力傳動系統(組成見(jiàn)圖1)獲得的實驗數據研制而來。使用該數據顯示AE-HUMS系統有能(néng)力檢測動力傳動系統中不同部件(jiàn)的多(duō)種損傷過程，能(néng)估算(suàn)相(xiàng)對損傷危害度，及能(néng)識别損傷進展，例如：裂紋擴展等。在副齒輪中擴展的裂紋能(néng)在故障發生(shēng)前15分鍾檢測出來。 |
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| 同時，還(hái)能(néng)檢測和監控裂紋形成前數小(xiǎo)時由損傷引起的裂紋(如圖2)，有迹象表示将來對系統修改将允許裂紋的形成和裂紋擴展，并可以與其他類型的損傷擴展區分開(kāi)來。在廣泛的應用範圍内AE-HUMS系統用來監控動力傳動系統、齒輪箱及轉動零件(jiàn)有很大的潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統提供了四個(gè)級别的損傷指标。每個(gè)通(tōng)道顯示一(yī)個(gè)狀态條，四種顔色中的一(yī)種表示部件(jiàn)的一(yī)種狀态。這些顔色是：綠色表示通(tōng)過情況；黃色表示可能(néng)的最小(xiǎo)無擴展損傷；橙色表示明确的和嚴重的無擴展損傷；紅(hóng)色表示嚴重的擴展損傷。無聲音(yīn)報(bào)警。操作員(yuán)可以關掉任一(yī)通(tōng)道或整個(gè)系統。
飛(fēi)機(jī)全尺寸疲勞試驗(FSFT)：現在的無損檢測技(jì)術(shù),象超聲波、渦流和放(fàng)射線照(zhào)相(xiàng)術(shù)要求很高(gāo)的經過培訓的技(jì)術(shù)人員(yuán)，花費(fèi)很多(duō)時間尋找顯著區域，且經常分解機(jī)架結構以确定裂紋位置和長(cháng)度。目前，檢測位置和間隔必須依據以前的缺陷統計特征。然後必須在所有位置進行無損檢測掃描來确定是否有真正的缺陷存在。使用聲發射允許通(tōng)過裂紋擴展聲音(yīn)識别點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗是依據在實際産品結構預先加載與服役中一(yī)樣的循環載荷原理。試驗的自(zì)動加載系統在比實際運行服役短很多(duō)的時間段内提供很多(duō)次載荷循環。因為(wèi)強迫缺陷擴展，在維修它時要和實際操作規程一(yī)樣。這個(gè)試驗全部目的是确定疲勞臨界位置和在這些位置上(shàng)疲勞壽命和裂紋擴展特征。 |
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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。在早期産品階段(圖3)完成全尺寸試驗通(tōng)常使用很低(dī)危害的疲勞載荷譜(和多(duō)數飛(fēi)行目前進行載荷譜比較)，期望的飛(fēi)行使用壽命也比現在要求機(jī)架壽命短。這就(jiù)導緻要保持我們舊(jiù)的飛(fēi)行就(jiù)要求越來越多(duō)的FSFTS。
聲發射試驗是一(yī)項在應力狀态下(xià)"聽"結構的技(jì)術(shù)。在預加應力的結構中裂紋或缺陷發射聲波。這些波通(tōng)過結構傳播并由一(yī)組壓電(diàn)晶體傳感器(qì)收集信号。這些信号傳輸到(dào)基于儀器(qì)的計算(suàn)機(jī)中來分析波形特征，通(tōng)過比較在傳感器(qì)組中不同傳感器(qì)信号的到(dào)達時間，可以确定缺陷點所在的位置。
| 聲發射在F-15疲勞試驗上(shàng)的應用主要集中于飛(fēi)機(jī)上(shàng)的幾個(gè)關鍵的結構(圖4)。主要感興趣的點是在機(jī)翼和機(jī)身之間的連接耳片。這些中間的和主翼梁上(shàng)的耳片在工(gōng)作過程承受巨大的載荷并經常在現場進行檢測。機(jī)翼和機(jī)身固定耳片将機(jī)翼主梁與機(jī)身隔壁連成一(yī)體，由2124鋁合金，7075鋁合金和6A1-4V钛鍛件(jiàn)加工(gōng)而來。 |
| 即使使用最現代的傳統檢測技(jì)術(shù)确定疲勞裂紋的位置也常常很困難。聲發射有告訴檢測人員(yuán)什麽時間什麽區域檢測的能(néng)力。用這個(gè)系統可以節省試驗停車時間，減少試驗樣機(jī)發生(shēng)災難性故障的機(jī)率，用該系統獲得較好地對裂紋形成的理解。這種類型的儀器(qì)(圖5)對疲勞研究是非常有用的，總有一(yī)天我們将看(kàn)到(dào)空中聲發射監控設備作為(wèi)一(yī)種重要的監控系統。圖6和圖7所示為(wèi)傳感器(qì)和前置放(fàng)大器(qì)在FST飛(fēi)機(jī)上(shàng)的位置。 |
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圖8.DC-XA 技(jì)術(shù)驗證和火箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器(qì)安裝位置 |
飛(fēi)行聲發射（AE）作為(wèi)一(yī)種健康狀态管理試驗在DC-XA三角機(jī)翼運輸機(jī)技(jì)術(shù)驗證機(jī)上(shàng)獲得了成功地驗證。AE系統作為(wèi)商業(yè)可買到(dào)的儀器(qì)單元修改用于自(zì)動控制和重設計AEFIS，AEFIS表示聲發射飛(fēi)行儀器(qì)系統。聲發射技(jì)術(shù)預示著(zhe)對滿足新的要求有了希望：能(néng)監控和反饋關于結構、燃油箱和燃油系統狀态的信息并傳遞給機(jī)載計算(suàn)機(jī)。未來空間旅行的最關心的問題之一(yī)就(jiù)昌微隕石沖擊，它能(néng)碰擊飛(fēi)行器(qì)上(shàng)升、下(xià)降及在軌道上(shàng)運動，特别是複合材料結構逐步成為(wèi)主流。在飛(fēi)行器(qì)上(shàng)用聲發射，它能(néng)被動地"聽"結構并确定沖擊發生(shēng)的位置。一(yī)旦發生(shēng)沖擊，系統确定沖擊部位并評估它的危害度。确定位置以後，系統橫過沖擊區域完成AU試驗：主動發射脈沖到(dào)AE傳感器(qì)及獲得收到(dào)的數字化波形并和地面标定獲得的波形進行比較。然而這個(gè)試驗結果進入人工(gōng)智能(néng)化(AI)算(suàn)法以便給進行下(xià)一(yī)步或不進行下(xià)一(yī)步命令(即：如果損傷發生(shēng)在陶瓷熱防護罩上(shàng)，就(jiù)可以從(cóng)分裂及燃燒掉的狀況前挽救結構。) 象前面提到(dào)的，AEFIS最初設計作為(wèi)一(yī)種原型反饋關于LH2箱結構和工(gōng)作環境，包括溫度極限、振動和背景噪聲等信息。其他技(jì)術(shù)挑戰有：
·修改标準的AE系統不用主動冷卻就(jiù)能(néng)工(gōng)作；
·通(tōng)過濾波器(qì)去除高(gāo)背景聲音(yīn)和電(diàn)噪聲；
·去除電(diàn)磁幹涉(EMI)；
·随狀态更新能(néng)直接與火箭PC機(jī)通(tōng)信，自(zì)檢查和指示；
·由結構完整性分析數據并将數據相(xiàng)關聯；
·由火箭飛(fēi)行器(qì)提供飛(fēi)行數據基線。
| 研制一(yī)套AEFIS裝置可能(néng)采用現成的産品将超過6個(gè)月(yuè)時間。在飛(fēi)行器(qì)内部将最後的配置安裝到(dào)著(zhe)陸腳支柱上(shàng)，将AE傳感器(qì)由電(diàn)纜連到(dào)LH2箱上(shàng)并包括前置放(fàng)大器(qì)(圖9)。該裝置使用耐用的工(gōng)業(yè)PC機(jī)帶後闆CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE闆，一(yī)塊24VDC電(diàn)源用飛(fēi)行器(qì)動力并且是固體狀态硬件(jiàn)驅動。最後配置尺寸為(wèi)6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可移動零件(jiàn)(圖10)。軟件(jiàn)來自(zì)标準軟件(jiàn)，在安裝過程中允許有多(duō)種選擇增加自(zì)控自(zì)檢能(néng)力，系統狀态I/O及通(tōng)過母系連接加載/下(xià)載能(néng)力等特征。母系連接常用來加載新的試驗配置和下(xià)載試驗數據，通(tōng)過位于飛(fēi)行器(qì)外面的一(yī)面闆接入的筆記本電(diàn)腦(nǎo)完成。 |
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使用的傳感器(qì)也是現成的産品并包括三種不同類型，選擇傳感器(qì)根據它們的頻率響應、大小(xiǎo)、靈敏度及在火箭中燃料加載，飛(fēi)行和著(zhe)陸過程中承受苛刻溫度和振動振蕩的能(néng)力，圖11所示為(wèi)三種傳感器(qì)中的兩種及它們的大小(xiǎo)。 總結： 從(cóng)這裡(lǐ)報(bào)導的工(gōng)作中很明顯聲發射和聲-超聲波在航天無損檢驗和健康狀态監控技(jì)術(shù)中有一(yī)席之地。同時這裡(lǐ)所說的兩個(gè)系統都是最新研制的。非常明顯以前非常困難和不可能(néng)檢測的結構中裂紋和分層現在用上(shàng)面兩系統可以解決。這些系統的工(gōng)作目前研制其他系統并應用于這樣的平台：X-34和Delta火箭。 緻謝: 我們将非常感謝：航空和司令部AATD的Bruce Thompson 及Boeing 公司的Gerry Nissen 和 Jerry Huang，感謝對本文工(gōng)作的支持。 | 
