声发射技术对金属结构损伤的检测范文

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《机械设计与制造工程杂志》2014年第六期

1金属疲劳裂纹的声发射检测试验

1．1试验仪器检测设备采用美国PAC公司的8通道DiSP声发射系统，包括信号采集仪(具有分析和定位功能)、传感器(谐振频率150kHz)、前置放大器和电缆等。信号采集过程如图1所示。疲劳试验在10t的INSTRON试验机上进行，采用常幅谱加载，试验机相对动态误差为2%，相对静态误差为1%。

1．2试验步骤第1步，制作试验件。设计制作了若干件犬骨型带孔铝合金板试验件，材料为LY12CZ，中心孔直径10mm，板厚4mm，试件在试验机上的夹持长度为50mm，如图2所示。第2步，布置传感器。孔边为应力集中部位，因此沿试件纵轴在孔周围对称布置2个传感器，间距80mm，同时沿纵轴标定A、B两点用于断铅校准和声速测定，A、B两点距孔中心均为25mm。第3步，设置采集仪器参数。将2个传感器设置为线性定位组，事件定义值为80mm，事件闭锁值为160mm，过定位值为16mm。根据调试结果，其他采集参数设定见表1。每一试件在检测前均用断铅打点确定声速并保证传感器信号良好，其余参数设置不变，确保试验检测的一致性。第4步，对每一试件进行疲劳拉－拉试验。由多名合格检测人员进行独立检测，互不干扰，记录声发射报警以及首次发现裂纹时的信号数据和裂纹长度。声发射参数选用幅度、能量和计数等描述信号变化情况。在试验前准备好20倍放大镜用于目视检测，以验证声发射检测结果。

2检测数据的统计分析

2．1裂纹检测概率根据1．1节讨论，取Pi=0．5，δ=0．12，在95%置信水平下，计算声发射裂纹检测概率至少需要nmin=67件试验件。对每件试件实验时进行声发射检测，研究中采用参数滤波与空间滤波相结合的方法，对异常信号运用趋势分析和关联分析法进行损伤判断，实际共完成75件铝合金板的疲劳裂纹检测，其中有效检测69件，成功发现裂纹61件。检测情况表明，通过对幅度和能量等特征参数的分析，可有效预报金属裂纹萌生及扩展，且幅度比其他参数更加直观稳定，其提示异常时发现的裂纹长度约为0．5mm～2．0mm。典型声发射检测信号如图3所示。各试件检测结果及检出裂纹时的幅度统计情况见表2，其中，xi表示裂纹检出结果，检出记为“1”，未检出为“0”，检出率为p。由1．1节知，裂纹检测结果只有检出和漏检2种，检测结果总体X服从两项分布B(1，p)，且n=69，m=61，uα/2=1．96。首先，利用式(2)计算得到声发射对金属疲劳裂纹(裂纹长度＜2．0mm)的检测概率p在95%置信度下的置信区间为(80．90%，95．96%)，其次由式(6)计算出检测概率p的贝叶斯估计值为87．3%。

2．2裂纹检出信号参数的统计分析对表2中声发射幅度进行统计分析，按区间分类后列于表3。采用非参数统计法研究幅度的总体分布，其中k=4，各区间理论概率值的计算结果见表4。在0．01显著水平下，由式(7)得，χ20．01(1)=6．63＞6．37。由1．3节假设检验知识，计算得到信号幅度体服从分布N(66．48，7．32)，进而可以通过其分布规律来预测声发射出现异常信号时进行损伤判断的检测可靠性，如图4所示。从裂纹检出信号幅度的分布曲线可以分析出，幅度为70dB时，初步判断结构产生裂纹的概率为68．4%;当幅度达到75dB时，检测人员有87．9%的可靠性判断结构已经出现损伤。这样在完成具有一定可靠性的异常信号初判基础上，再采取相应声发射信号特征分析，如趋势分析和关联分析法进行详细结构损伤判断，可以进一步提高声发射检测效率。

3结束语

本文通过实验的方法研究了声发射技术对一定长度金属疲劳裂纹的检测概率，以及判断结构损伤的信号阈值问题，可为声发射检测复杂航空结构、提高声发射检测效率，以及确定结构疲劳寿命提供支持。需要说明的是，由于本文试验件是由飞机结构中提取的典型形式，因此这些结论针对具体结构件，在一定条件下成立。实际检测时，对不同结构应保证声发射检测设备的采集信号处于正常水平，进而参考本文结论完成结构损伤检测。

作者：韩晖肖迎春白生宝刘国强梁栋单位：中航工业飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室