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应用声发射技术实时监测某型直升机防扭支架疲劳试验裂纹
摘 要：通过应用声发射技术，及时捕捉疲劳裂纹形成和扩展的过程，给判定疲劳试验件是否破坏带来更准确、客观的依据，从而能为直升机动部件和结构件的准确定寿提供一种科学的辅助手段。
关键词：声发射；直升机防扭支架；监测疲劳裂纹
0 前言
直升机关键部件或关键结构的疲劳破坏一直是危及直升机安全的一个重要因素。现阶段，预防疲劳破坏的有效方法之一就是进行疲劳试验，从而给出直升机的飞行寿命。因此，在疲劳试验时准确获取疲劳试验件的破坏过程对直升机的疲劳定寿有着十分重要的意义。目前，在我国的直升机疲劳试验中，疲劳试验件是否破坏主要以试验人员目视检查试验件出现裂纹为主，无法掌握裂纹萌生、扩展和断裂的全过程。但从疲劳裂纹的形成机理来看，微观裂纹发展成宏观裂纹再到临界破坏点是有一个扩展过程的，如果不把这个过程的试验数据用于试验件的寿命计算上，给直升机的准确定寿会带来一定的误差，这将会增加直升机的使用和维修成本，并最终将会直接影响直升机的飞行安全。因此，我们必须要引入一种能对疲劳裂纹进行实时监测的技术手段，如果他能在试验状态下实时发现疲劳试验件的破坏全过程，我们就能对关键部件或关键结构的疲劳定寿提供可靠、科学、全面的试验数据，为其准确定寿提供保障。超声波物位计通过对各种检测方法的技术分析我们发现，声发射技术满足我们的要求。他具有动态监测，预先警报和覆盖面大的特点。通过运用声发射技术，可以对正在试验中的动部件进行实时的监测，对疲劳破坏的萌生点、扩展速度和扩展时间都有较全面的了解。如果这一技术能够在疲劳试验中运用成功，将会给判定疲劳试验件是否破坏带来更准确、客观的依据，从而为直升机动部件和结构件的准确定寿提供科学的技术保障[5]。
1 声发射技术在疲劳试验中运用的原理
在疲劳试验中，构件在足够大的交变载荷的多次作用下，可能发生疲劳破坏。通常，在这种破坏之前，构件往往没有变形征兆，而是直接形成疲劳初始裂纹。在交变载荷的作用下，裂纹以一定的速率扩展，扩展是缓慢且不连续的，它随着应力水平的大小，时而持续时而停滞。随着裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，削弱到一定极限时，构件便突然断裂。超声波液位计因此，裂纹的形成和扩展在疲劳试验中是一种主要的有效声发射源。在试验件出现裂纹时，高度集中的多余能量被释放出来，形成声发射信号。裂纹形成后，在发展成为宏观裂纹之前，需要经过裂纹的缓慢扩展阶段。并且裂纹扩展所需的能量比裂纹形成时大得多（约100-1000倍），因此裂纹扩展产生的声发射信号比裂纹形成时更强。超声波测厚仪裂纹向前扩展一步，将积蓄的能量释放出来，裂纹尖端地区卸载，当裂纹扩展到接近临界裂纹长度时，试件就开始进入失稳扩展，继而快速断裂。这时产生的声发射强度更大，如断裂韧性实验中，就能产生人耳可听见的声音。由于裂纹形成和扩展都是一个不可逆的、突发的过程，只要裂纹形成或扩展就会在采集的信号中产生一个增量。通过对这种增量的对比分析，我们就能及时了解裂纹的发展动向，及时预测或捕捉试验件裂纹就成为可能[1-4]。
在试验过程中，通过声发射传感器，采集来自试验件的声信号，经过信号的剔噪处理，提取出有用的声发射信号。通过用各种声发射参数（这些参数包括有能量、幅度、振铃计数、事件计数、持续时间、上升时间、平均频率、绝对频率等，超声波清洗机其中比较重要的参数包括AE撞击数、事件数、AE幅值分布、AE能量分布等）对声发射信号进行表征，然后对这些声信号参数增量变化进行分析，我们就能预测裂纹的发展趋势，最终对试件是否破坏做出判断，并对裂纹的位置进行定位。
2 裂纹监测
2.1 监测对象
本次试验监测的对象是某型机防扭支架疲劳试验，加载载荷为拉－拉载荷，其加载图如图1所示。通过用声发射设备对疲劳试验过程实时监测，及时了解防扭支架的疲劳裂纹情况。经应力分析认为2个连接螺栓孔为应力集中点，产生裂纹的机率比较大，因此选择把螺栓孔作为主要裂纹监测点。
2.2 监测方法
由于疲劳裂纹的形成与扩展是一个持续的过程，洗片机为了能及时捕捉到裂纹的发生与扩展的全过程，我们采用的是连续实时监测方法，用声发射设备对试件的疲劳试验过程进行实时的连续监测。
2.3 声发射设备及参数设置
本次试验采用的声发射设备是PAC公司的24通道DiSP系统。由于试验件可布置传感器的位置非常有限（试验件宽度为100mm左右），因此只能布置2个声发射传感器。我们把传感器布置在如图1的位置，传感器与试件之间用耦合剂耦合，2个传感器之间的距离为50mm。由于只能布置2个传感器，因此只能采用线定位的方式对裂纹进行定位，这也给准确定位带来了很大的难度。
声发射技术能否成功应用，声发射各技术参数的设置是一关键因素，由于试验件材料和结构的不同，导致声发射参数必须随不同的试验件而改变。如何找到适合本次试验的声发射参数将是试验前要解决的第一个问题。为了找到合适的参数设置，我们通过用断铅摸拟声发射信号对设备参数进行多次调试，最后才初步设定声发射设备的各项参数如下：幅值门槛值设为40 dB，前放增益设为40 dB，峰值定义时间（PDT）设为300us，声发射事件定义时间（HDT）超声波液位计设为600us，撞击闭锁时间（HLT）设为1000us。Event Definition Value (事件定义值)设为50mm，Event Lockout Value（事件闭锁值）设为100mm，Overcal设为5。通过断铅试验计算出平均波速v为6×106mm/s(v=s/t s：传感器之间的距离；t:传感器接收信号的时差，可用线性显示模式读出，然后通过断铅试验校正得出平均波速)。
在试验过程中，试验夹具之间的摩擦噪声是我们要解决的第二个难题，因为夹具之间的摩擦噪声跟声发射信号的频率非常相似，只有尽可能多的剔除多余的噪声，才不会影响正常的裂纹声发射信号的接收。为了解决这个问题，我们通过调整前放增益和PDT、HDT、HLT等参数都没得到理想结果，最后发现调整幅值门槛值能有效减少噪声信号，但是幅值门槛调高了有用的裂纹声发射信号也将会被剔除在外，调得不够，噪声又不能有效剔除，超声波物位计怎么找到合适的门槛值，是又一个面临在我们面前必须要解决的问题。为了解决这个问题，我们先是通过机械方面去考虑，尽量减少夹具之间的间隙，减少夹具摩擦和撞击，然后通过在试验时用断铅试验vwin
突发声发射信号，来调整幅值门槛值。经过多次试验，最后找到了一个比较合适的门槛值为45dB。从而解决了夹具摩擦噪声的干扰问题，为试验的顺利进行打下了很好的基础。
3 试验结果及分析
试验件在初始疲劳载荷加载时，声发射信号Hits数变化比较平稳，幅值较低（见图2），并且大部分的声发射信号的幅值都在45－55 dB之间（见图3）。由此我们可以推断，这些比较有规律的信号是由机械摩擦噪声引起的。
经过1.0×106次试验循环后，试验载荷升级。升级后声发射信号幅值有一定的上升（幅值范围在45－65dB之间），Hits数有所增加，但变化还是比较平稳，声发射能量值有比较大的上升。经分析认为是由于载荷加大摩擦加剧造成的。
继续0.115×106次试验循环后，2＃声发射传感器附近的位置Hits数有较明显的上升（见图4），靠近2＃声发射传感器的信号幅值（最大值）也有了快速的增加，超声波测厚仪最大值上升到90dB（见图5）。2＃声发射传感器接收到的信号能量也有了比较大的增加（见图6）。根据上述情况判断试验件可能出现了异常情况，我们对试验件进行表面裂纹检查（没有拆开孔连接），没有发现表面裂纹。当时我们判断声发射信号的变化可能是由试验台架上突然来的摩擦或撞击而引起的噪声信号。
继续试验，在此过程中，声信号一直很强，Hits数一直维持在增长较快速的水平，幅值最大值超过90 dB的次数明显增多（见图7），10分钟后我们对试验件进行了再一次的检查，发现在2＃传感器附近已经出现一条5mm长的裂纹（见图8）。
由于裂纹形成和扩展时都会产生很强的声信号，通过以上的试验结果分析我们可知，第一次声发射信号迅速上升时期，也即在0.115×106次试验循环时，疲劳裂纹可能就已经形成，由于被上加载板遮住，而没有能够及时发现。按此推算，在接下来的试验循环就应该算是裂纹的扩展期。通过运用裂纹扩展速率公式即Forman公式，我们就可以计算出裂纹的扩展速度。
声发射系统除了给出了裂纹萌生和扩展时间外，也给出裂纹的萌生点和扩展的方向。通过试验结果分析我们可知，2＃传感器接收的信号数量增长率一直比1＃传感器要多（见图4），高幅值高能量的信号也集中在2＃传感器附近。通过图5和图7分析我们可知，裂纹是从离2＃传感器10mm左右的距离开始，并由此向靠近2＃传感器一边扩展的。经试验件检查证明，声发射系统给出的裂纹位置和扩展方向都比较准确。
通过对第一件防扭支架疲劳试样裂纹监测采集的众多AE参数分析我们发现，Hits变化率、能量变化率和最大幅值这几个参数对于裂纹的发现有比较直观的反映。并且，在出现裂纹时其最大幅值信号为90dB左右。为了能在下一件试验件监测时减少工作强度，在接下来的另外几件防扭支架试验监测中我们设定了最大幅值超过90dB作为裂纹报警门槛，并结合Hits变化率、能量变化率这2个参数对试验件是否出现裂纹进行判断。通过这种方法，我们分别对另外2件防扭支架试验件的疲劳裂纹做出了准确预报。这说明利用幅值、Hits变化率、超声波清洗机能量变化率这3个参数对裂纹进行预警是可行的。
4 结论
通过应用声发射技术对疲劳试验件的实时监测，能及时发现疲劳试验裂纹的萌生和扩展过程，并能对裂纹进行初步定位，解决了长期困扰直升机疲劳试验的实时发现疲劳破坏点的问题。通过对一些声发射有效参数的具体量化后，声发射技术完全能够建立疲劳破坏的判断标准，为今后的直升机疲劳试验裂纹判断提供科学、客观、有效的判据。
应用声发射技术实时监测某型直升机防扭支架疲劳试验裂纹
- 声发射(28918)
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在声发射监测过程中，由传感器所感应到的声发射信号是多频率混淆分布的，并且还有一些并不是监测所需的频段信号干扰，因此，必须根据现场信号抗混淆滤波的需要，对
2010-12-14 09:32:311791
1791直升机原理图
现有的简单电动遥控直升机绝大多数都是使用单一的手动遥控方式，而采用单片机辅助控制的很少，我们设计的直升机克服了现有电动遥控直升机简单控制模式，在其基础上增添了自动飞行的功
2011-02-07 09:25:5640484
40484基于串口服务器的声发射监测系统设计
针对现有的声发射监测系统中存在的监测范围窄，通信距离短，监测仪固件升级困难的问题，提出了一种基于串口服务器的远程多通道声发射监测系统设计方案。该系统下位机采用C80
2013-07-25 16:53:1020
20基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计
四旋翼直升机具有4个呈交叉结构排列的螺旋桨，其独特的构型能够满足复杂环境中的任务需求。文中设计了一种四旋翼直升机飞行控制系统软硬件方案，通过传感器实时采集四旋翼的姿
2013-07-25 17:09:54929
929便携式智能岩体声发射监测仪的设计
为了能够准确有效地对声发射信号进行数据监测，设计了一款基于STC89C58RD+单片机的便携式智能岩体声发射监测仪。介绍了仪器的功能特点、软硬件实现方法以及设计中的难点问题的解
2013-09-18 10:45:5338
38基于视觉的无人直升机移动目标跟踪技术研究
原理并且实时性好；最终，将计算机视觉应用到无人直升机对移动目标跟踪上，并通过实验验证了其可行性，结果表明机载视觉技术能够很好地解决于无人直升机对移动目标的跟踪问题。
2015-12-28 09:56:1419
19基于Linux的小型无人直升机的实时仿真系统
小型无人直升机具有垂直起降、悬停、巡航以及快速转变航向等特性，使得它成为一种理想的无人飞行器，并被广泛地应用于除军事目的以外的诸如交通执法监控、海洋／环境监测以及航空摄影／测量等许多领域。在进行实际
2017-11-01 10:13:470
0基于视觉的四旋翼直升机系统和方法
针对四旋翼直升机目标跟踪这一问题，提出并设计了一套基于视觉的四旋翼直升机系统和方法。首先，在Matlab中对四旋翼直升机建模仿真，使用经典PID控制算法设计位置回路和姿态回路：其次，设计了一套
2017-11-14 10:25:379
9电磁超声换能器的电磁声发射检测方法
电磁超声换能器（ EMAT）因其非接触式的检测特点被广泛应用于无损检测和无损评估中，但如何用其判定裂纹的活性尚未见报道。因电磁声发射技术能够对微细裂纹进行检测并判定其活性，在考虑磁致伸缩效应的基础上
2018-01-08 16:30:012
2直升机振动无线监测技术
（美国国家运输安全委员会）统计直升机40%事故与振动有关。在直升机试飞验证阶段需要对座椅、脚蹬、操纵杆、仪表板、机头、发动机、传动系统、机身翼面等数十处关键部位振动进行监测记录，传统有线铺设传感器线缆冗余、走线穿舱难度
2018-02-02 15:56:341
1如何去定义直升机？直升机有哪些特点？
作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，直升机极大的拓展了飞行器的应用范围。相对于固定翼而言，直升机的突出特点是可以做低空（离地面数米）、低速（从悬停开始）和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。
2018-08-16 11:24:265662
5662俄罗斯卡-226T轻型直升机凭借哪三点成为直升机家族中的一匹黑马？
第一，就是它采用了共轴双选翼结构布局。这是俄罗斯卡-226T直升机的一个鲜明外在技术特征。其实提到直升机的共轴双选翼结构布局，人们第一时间会想到俄罗斯的直升机，在一定程度上，共轴双选翼结构布局是俄罗斯直升机的代名词。从结构细节来看，卡-226T直升机的旋翼采用的是共轴反转式3片桨叶的形式。
2018-08-27 14:13:385801
5801印度海军共购买135架直升机，95架多功能直升机本地组装，16件已组装好
据悉，95架多功能直升机将在印度本地组装，其余16件则是组装好的直升机。这是印度政府积极推广的“Make In India”采购计划的一部分。合同总额为30亿美元。
2018-08-28 11:10:592510
2510无人直升机新热潮 阿里巴巴完成首次无人直升机高载重配送测试
随着无人机热潮的推进以及通用航空市场的日益成熟，我国无人直升机发展迅速，或将在物流运输领域实现重要突破。 由于研究起步较晚，我国无人直升机发展较之发达国家一直处于滞后状态。如今，随着无人机热潮的推进
2018-09-18 15:11:002520
2520Rocket Lab公司成功进行了直升机回收火箭助推器部件测试
视频显示，一架空客AS350直升机在公海上空投放了一个Electron火箭助推器试验部件，试验部件上的降落伞随即打开，然后一架贝尔429直升机使用一个特别设计的回收装置钩住降落伞的伞绳。
2020-04-16 10:59:44918
918H160直升机是同类型直升机中最安静且在油耗方面最环保的直升机之一
空中客车直升机多用途双发H160直升机获得了欧洲航空安全局（EASA）的型号合格证，标志着该项目正式进入下一阶段。空中客车直升机计划在今年下半年获得美国联邦航空局（FAA）认证后，将首架H160交付于未公开的美国客户。
2020-07-22 08:26:402836
2836中国首款高原无人直升机创造了国产无人直升机起降高度新纪录
9月27日，中国首款高原无人直升机AR-500C首次在世界上海拔最高的民用机场成功试飞，创造了国产无人直升机起降高度新纪录。
2020-09-28 14:05:432329
2329声发射技术的进展和原理介绍
为满足管道、大型压力容器、大型起重机和游乐设备声发射检测与监测的需要，研制了一种基于GPS和Wi-Fi技术的16通道高速Wi-Fi无线声发射系统。测试结果表明，该系统具有很高的功能，能够满足一般声发射
2021-03-01 08:00:006
6直升机健康与使用监控系统（HUMS）
健康和使用监测系统（HUMS）作为直升机和一些固定翼飞机的有效预测性维护策略已获得广泛接受。 由于飞机上有大量的关键的涉及飞行安全的系统，尤其是直升机的旋翼系统。振动监测技术在检测和防止灾难性
2023-06-07 14:27:581025
1025eVTOL飞行器对直升机会有何冲击？
传统直升机主要包括三套动部件：旋翼、传动和发动机，这三大动部件决定了一架直升机本身的技术含量和技术水平，也代表了未来的发展。
2023-10-11 15:36:50256
256什么是声发射监测？
声发射监测原理：听声！听裂纹扩展开裂的声音，泄漏介质摩擦泄漏破口处的声音，转动机械的磨损声音，听各种表述了设备的损伤状态和故障情况的声音。次声、声、超声，0-2MHz。
2023-11-15 13:55:44227
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