飞机典型金属结构振动疲劳损伤信息获取方法研究

王 纯，王建强，周苏枫

(中国飞机强度研究所 航空声学与振动航空科技重点实验室，陕西 西安 710065)

1 引 言

飞机结构在使用过程中承受着振动载荷的影响，使之产生振动响应，导致结构出现振动疲劳损伤[1，2]。为了识别振动疲劳损伤，研究损伤的形成和发展，获取有效的损伤过程信息，判断疲劳源形成、裂纹形成及裂纹扩展规律，有必要系统地研究和归纳各种损伤信息获取方法，获得有效的损伤时间和破坏时刻，为结构振动疲劳破坏分析提供基础。以此为研究目标，本文开展了多项损伤信息获取方法的研究，在此基础上归纳总结了各方法的优点、适用范围及其损伤判据，为结构寿命的分析与研究提供了一定的支持。

结构在振动疲劳过程中，会产生不同的损伤信息。为了获取这些损伤信息，需要选用适合的测试手段。材料在振动疲劳过程中存在着能量耗散，能量耗散的具体表现为试验件在疲劳过程中应力集中部位表面温度及材料内部能量的变化[3-5]。针对材料表面温度变化，选用红外热成像方法进行数据采集；针对材料内部能量变化，选用声发射探伤技术进行分析[6，7]。材料在损伤至出现可检测裂纹阶段，其弹性模量会相应的变化，在宏观上表现为固有频率的变化。因此，可以采用共振驻留监测其一阶固有频率的变化过程[8，9]。

2 损伤测试方法

2.1 试验件

针对本文的研究目标，开展了元件级振动疲劳试验研究。试验件为2024-O铝合金试验件，试验件形式和尺寸如图1所示。

图1 元件试验件

2.2 基于共振驻留法识别材料损伤

结构产生损伤后，其刚度会发生变化，表现为结构的固有频率发生变化。因此，监测结构的固有频率变化，便可得知结构是否产生损伤。试验系统如图2所示。

图2 试验系统

采用共振驻留试验方法对试验件进行振动疲劳试验时，试验系统会根据与试验件的相位差跟踪试验件的共振频率，保持试验件一直处于共振状态。根据这样的原理，在试验中实时监控谱线，主动获取试验件共振频率的变化，从而得知试验件的振动疲劳损伤信息。

通过大量试验总结出如下规律：当试验件的共振频率下降1%、相位无法跟踪，且试验件响应(速度、加速度、位移)峰值开始出现下降时，可认为此时试验件已发生疲劳破坏。试验件频率随时间的变化规律如图3所示，位移随时间的变化规律如图4所示。

图3 试验件的频率随时间的变化

图4 试验件的位移随时间的变化

由图可以看出，试验件在试验过程中共振频率开始下降时，其响应的变化趋势从缓慢上升转变为缓慢下降，这意味着试验件内部损伤已经大量形成，导致结构刚度下降，造成试验件频率下降，最终试验件共振频率下降1%，试验件出现宏观裂纹，试验件失效。

2.3 基于声发射高峰的振动疲劳损伤获取

采用声发射动态损伤监测技术(如图5所示)，试验过程中实时在线采集结构响应信号，可在不中止试验(即不中断损伤扩展)的前提下，根据测量结果完成对结构损伤状况评估。

图5 声发射系统检测原理图

考虑到振动试验载荷特征及声发射监测特点，确定对试验件采取如图6所示的传感器布置方案进行损伤监测。

图6 试验件传感器布置方案

由于是在振动台上加载，本试验监测到的AE信号中除裂纹扩展的声发射信号外，还含有大量的噪声信号。噪声信号主要有两部分：一是电磁噪声，二是外部干扰噪声。外部干扰噪声较多，包括试件自身振动所引发的噪声、试件与夹具之间的摩擦噪声及裂纹闭合时的摩擦噪声。为了更好地提取有效的声发射信号，分析试件的失效情况，采取参数滤波方法对采集到的声发射信号进行处理。

经过参数滤波后的声发射信号如图7所示。因为噪声信号的能量一般情况下都很低，所以滤波后得到的声发射能量趋势图的准确度相对较高。从AE信号能量趋势图可以看出，600s～1000s之间有小波峰，表明损伤已经在试验件内部大量形成；1400s左右，信号能量有较大增长，出现了第一个声发射高峰，可以判定该时刻为裂纹的萌生点；1700s以后，出现了第二个声发射高峰，判定裂纹进入不稳定的快速扩展阶段。

图7 声发射图

通过对AE信号的采集与分析可知，振动疲劳试验过程中，通过参数滤波和空间滤波的方法滤除一部分干扰噪声，利用相关分析方法可以提取损伤区域内的有效AE信号，观察金属结构件振动疲劳损伤的演化过程，以获得声发射参数与疲劳损伤参数间的定量关系。

2.4 基于热红外成像的振动疲劳损伤获取

材料在载荷作用下的损伤是一个能量耗散的过程，可以通过研究材料在试验过程中的温度变化规律来表征材料的物理状态变化。红外热成像作为一种非接触式的、无损的实时监测技术，不仅能实时监测加载过程中材料表面温度的变化，记录稳定的温升值，而且还能够观察损伤和破坏的物理过程，成为了解金属材料疲劳裂纹萌生、扩展等过程比较有效的无损监测手段。本研究就是通过红外成像监测金属在

振动疲劳过程中温度变化情况，间接获取疲劳损伤信息。热红外测试原理如图8所示，红外热信号分析的流程图见图9，最终得到的典型试验件红外谱图如图10所示。

图8 热红外测试原理图

图9 红外热信号分析流程图

图10 典型试验件红外谱图

通过对典型金属元件进行振动疲劳红外监测，可得出以下结论：整个寿命期大致可分为3个阶段，一是温度快速上升阶段，二是温度缓慢上升阶段，三是温度快速下降阶段。

温度快速上升阶段对应试验件共振建立的过程，这个过程持续时间比较短。温度缓慢上升阶段对应材料内部微观损伤形成及演化的过程，这个过程持续时间最长。温度下降阶段对应试验件宏观损伤扩展的阶段，这个阶段约占整个寿命的5%。

从试验件疲劳裂纹的监测过程可以看出，热红外成像可监测试验件表面温度变化的情况，并通过观察温度标准偏差值曲线，监测到温度变化异常的时刻，反映出试验件产生了振动疲劳破坏。

3 总 结

通过研究材料损伤参数的变化，总结了损伤信息获取的各种方法，阐述了各测试方法的损伤判据，形成了系统的损伤信息获取方法，为结构损伤及寿命分析提供了有效的手段。