基于超聲導(dǎo)波的飛行器密封質(zhì)量檢測方法

高東岳，徐穎珊，郭健，龐冬晫

(1.中山大學(xué) 航空航天學(xué)院， 廣州 510275； 2.北京空天技術(shù)研究所， 北京 100074)

為了安裝和維修設(shè)備、加注燃料與冷卻劑，飛行器結(jié)構(gòu)上開設(shè)了許多的窗口或口蓋，這些口蓋與結(jié)構(gòu)口框之間通過螺栓提供預(yù)緊力，并利用密封墊、密封膠等技術(shù)手段進(jìn)行密封[1]。用彈性體密封材料，例如密封墊(圈、片、條等密封件)進(jìn)行密封，可拆卸，便于更換，是最普遍使用的密封技術(shù)。但由于固體密封填充縫隙的性能隨時間老化，在長期用于有溝槽和孔洞、表面粗糙、表面不平整等部位時可能會影響防水效果。因此評價口蓋界面密封條件，進(jìn)而對口蓋密封質(zhì)量進(jìn)行控制，成為口蓋設(shè)計與維護(hù)的重要環(huán)節(jié)[2-3]。

基于超聲導(dǎo)波的損傷診斷方法具有檢測能量集中，傳感器網(wǎng)絡(luò)尺寸小、質(zhì)量小、便于大面積布置等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與壽命預(yù)測領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[4-5]。超聲導(dǎo)波信號特征對結(jié)構(gòu)連接的界面質(zhì)量非常敏感，文獻(xiàn)[6-8]從理論和實驗兩方面研究了超聲波與非理想界面的相互作用。由于超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的潛在應(yīng)用，研究人員已經(jīng)開展了涉及檢測多種類型缺陷(如疲勞裂紋、脫膠等)與導(dǎo)波相互作用機(jī)理的數(shù)值、分析和實驗研究[9-10]。

近年來，通過分析超聲導(dǎo)波信號特征變化來表征接觸面質(zhì)量的思路，被認(rèn)為是檢測接觸狀態(tài)的一種潛在的有效方法，而獲得大量研究[11]。Balvantn A J等[8]發(fā)現(xiàn)，蘭姆波的群速度信號特征與固體接觸之間的界面條件之間存在相關(guān)性，并利用蘭姆波傳播參數(shù)對非理想接觸條件進(jìn)行了數(shù)值計算和實驗研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的試驗條件下預(yù)緊力每增加5MPa，信號傳播速度就隨之降低0.5 mm/ms。Stefano Carrino[12]等發(fā)現(xiàn)，在單搭接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，接觸面質(zhì)量問題可以造成特定頻率下的超聲導(dǎo)波信號能量衰減。

口蓋密封依靠口蓋-密封條-口框接觸中密封條變形填補(bǔ)表面空隙，預(yù)緊力來自螺栓連接，因此，其密封質(zhì)量與密封條質(zhì)量和預(yù)緊力相關(guān)。本文針對口蓋密封連接形式基于超聲導(dǎo)波信號到達(dá)時間與能量特征提出密封質(zhì)量評價因子與圖像化顯示方法，并將該方法應(yīng)用于飛行器艙體密封性能檢測，艙體淋雨密封質(zhì)量檢測實驗驗證了該方法的有效性，診斷結(jié)果與實際情況完全吻合。本研究提出的方法對口蓋，艙門類結(jié)構(gòu)密封類構(gòu)建的密封狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)具有實際應(yīng)用價值。

1 基于導(dǎo)波信號特征的密封質(zhì)量表征方法

導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)的傳播過程分為3個階段：激發(fā)、傳播和接收。以壓電晶片傳感器收發(fā)導(dǎo)波為例，能量完成了電能-傳感器動能-結(jié)構(gòu)動能-傳感器動能-電能的傳遞過程[13-15]。

首先，電壓信號借助傳感器的逆壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯淖冃巍Ｔ谡辰訉拥鸟詈献饔孟拢瑐鞲衅鲬?yīng)變傳遞到結(jié)構(gòu)中，完成了超聲導(dǎo)波的激發(fā)，根據(jù)剪力滯效應(yīng)的描述，結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力分布為：

(1)

以S0模態(tài)導(dǎo)波為例，在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變εplate為：

(2)

式(2)中：Gplate為板的剪切模量；kS為對稱(S0)模態(tài)導(dǎo)波數(shù)；DS(kS)、NS(kS)，分別為S0模態(tài)導(dǎo)波傳遞變量。

超聲導(dǎo)波信號被激發(fā)傳感器從電壓形式轉(zhuǎn)化為應(yīng)變形式，然后以彈性波形式在結(jié)構(gòu)中傳播，最終，能量從以接收傳感器應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過分析電壓信號可以對導(dǎo)波能量傳播路徑上的結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評價。式(1)和(2)描述了激發(fā)傳感器將自身能量傳遞給結(jié)構(gòu)的過程。

應(yīng)變從傳感器傳遞到板中，傳播距離X之后，其能量按e-kX衰減：

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果[16-17]，口蓋密封性能與密封條彈性、預(yù)緊力等因素相關(guān)。其中，密封條彈性影響結(jié)構(gòu)阻尼導(dǎo)致導(dǎo)波能量衰減性能，最終變化影響導(dǎo)波信號能量(E)；而預(yù)緊力變化影響結(jié)構(gòu)等效剛度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)波的載體頻散特性發(fā)生變化從而影響導(dǎo)波信號的到達(dá)時間(TOF)。

為了表征口蓋周圍不同位置的密封質(zhì)量，在口蓋與口框上布置傳感器網(wǎng)絡(luò)。利用激發(fā)傳感器將超聲導(dǎo)波能量引入口蓋結(jié)構(gòu)，能量通過口蓋-密封條-口框傳遞到接收傳感器位置，被轉(zhuǎn)化為電信號，這個能量傳遞的過程被稱為信號路徑。每條信號路徑的信號特征表征該激發(fā)——接收傳感器連線上的密封質(zhì)量。本文分別將路徑的導(dǎo)波信號能量E與信號到達(dá)時間TOF對平均值的偏差作為衡量該路徑受密封質(zhì)量影響的評價因子，其計算方法如下所示。

(4)

式中：μE與μTOF分別為傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有路徑導(dǎo)波平均信號能量與到達(dá)時間；E(i)與TOF(i)分別為傳感器網(wǎng)絡(luò)中第i條路徑的導(dǎo)波信號能量與信號到達(dá)時間。

為了實現(xiàn)信號路徑對密封區(qū)域的全覆蓋，本研究針對飛行器口蓋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計兩套分布式傳感器陣列，并將其分別布置在口蓋與艙體上，以口框上的對應(yīng)傳感器作為信號收發(fā)傳感器。將前文提到的到達(dá)時間(TOF)、信號能量(E)的評價因子作為衡量路徑上的口蓋密封質(zhì)量的參數(shù)。基于超聲導(dǎo)波信號特征的密封質(zhì)量表征方法流程如圖1所示。

圖1 基于超聲導(dǎo)波的密封質(zhì)量監(jiān)測方法流程框圖

完成網(wǎng)絡(luò)收發(fā)信號之后，首先計算平均信號能量與到達(dá)時間，然后計算各路徑的TOF與E評價因子，并將其歸一化處理。根據(jù)研究經(jīng)驗，歸一化評價因子大于0.2的路徑既被認(rèn)定為密封缺陷位置。

2 實驗設(shè)計

為了驗證本研究提出的超聲導(dǎo)波技術(shù)對于大尺寸口蓋密封質(zhì)量檢測的有效性，在口蓋艙體實驗件上進(jìn)行了基于超聲導(dǎo)波的口蓋密封性檢測實驗。

試驗試件為某型號飛行器艙體典型部件及其口蓋。在口蓋和艙體上分別布置傳感器，其中沿著艙體軸向在口蓋上布置10個傳感器(編號為1#～10#)，其間隔為100 mm，在艙體周向左右對應(yīng)位置各布置一對傳感器(左側(cè)標(biāo)號為a#，右側(cè)標(biāo)號為b#)，在口框尾部頂點(diǎn)位置各布置兩個接收傳感器(標(biāo)號為c#和d#)，口蓋上的激發(fā)傳感器與對應(yīng)的口框接收傳感器之間的距離為150 mm。壓電傳感器采用直徑為8 mm，厚度為0.45 mm的壓電陶瓷圓片傳感器。口蓋-艙體口框試件與分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

在安裝傳感器之前需要對試件表面進(jìn)行打磨處理。按照設(shè)計位置，將傳感器網(wǎng)絡(luò)利用環(huán)氧樹脂粘接劑與結(jié)構(gòu)相耦合，再焊接信號傳輸線路，是傳感器形成網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器表面都用硅橡膠進(jìn)行防水處理。

激勵信號為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦信號，其中心頻率為300 kHz，在這個頻率下，S0模態(tài)導(dǎo)波信號被抑制。信號采樣頻率為24 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)量為4 000點(diǎn)。螺栓的預(yù)緊力由扭力扳手控制。實驗設(shè)備與試件如圖3(b)所示。

圖2 口蓋密封性檢測實驗試件示意圖

圖3 基于超聲導(dǎo)波的口蓋密封性檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理框圖及實驗設(shè)備與試件

將口蓋大部分螺栓的基準(zhǔn)預(yù)緊力設(shè)為10N，口蓋10#傳感器附近的3個螺栓的預(yù)緊力被設(shè)置為2 N，5#傳感器附近的左側(cè)螺栓的預(yù)緊力被設(shè)置為2 N；將3#傳感器附近的左側(cè)密封條切斷制造接觸不良損傷。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

利用口蓋上的傳感器陣列激發(fā)超聲導(dǎo)波，口框上相對應(yīng)位置的傳感器接收信號。發(fā)現(xiàn)與平均水平相比，10#-10c#、10d#路徑與5#-5b#路徑的信號出現(xiàn)明顯的到達(dá)時間縮短，3#-3b#路徑的信號幅值及其能量更高。

以路徑5#-5b#與相鄰路徑之間的信號對比結(jié)果為例說明預(yù)緊力對導(dǎo)波信號的影響。

如圖4所示，與路徑4#-4a#、路徑6#-6a#相比，路徑5#-5b#的A0模態(tài)超聲導(dǎo)波到達(dá)時間更短，分析結(jié)果顯示，其速度提高了2.16 mm/ms。通過對比路徑3#-3b#與相鄰路徑之間的信號，闡述路徑上密封條連續(xù)性對導(dǎo)波信號的影響。基于到達(dá)時間的質(zhì)量評價因子為0.144。

圖4 不同預(yù)緊力路徑的導(dǎo)波信號曲線

如圖5所示，與路徑2#-2b#、路徑4#-4b#相比，路徑3#-3b#的超聲導(dǎo)波信號幅值與能量更高，這是由于相同預(yù)緊力條件下，不受密封條阻尼衰減的信號路徑可以更有效地傳遞能量。此處基于能量的評價因子為0.329。基于時間與能量的歸一化評價因子如圖6所示。

圖5 不同密封條完整性路徑的導(dǎo)波信號曲線

圖6 歸一化評價因子直方圖

如圖6所示，5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路徑的基于到達(dá)時間的質(zhì)量系數(shù)高于0.2；而3#-3b#路徑的基于能量的質(zhì)量系數(shù)高于0.2。說明5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路徑附近出現(xiàn)螺栓松動，3#-3b#路徑附近出現(xiàn)密封條不連續(xù)損傷，損傷識別結(jié)果與設(shè)置情況相吻合。隨后將艙段試件推入淋雨室中進(jìn)行水密性試驗(見圖7)。在淋雨實驗中，降雨量設(shè)為4 mm/min，淋雨時間為40 min。淋雨試驗結(jié)束后，打開口蓋發(fā)現(xiàn)雨水已經(jīng)從艙尾10#傳感器附近滲入艙體。該位置3個螺栓松動，造成密封不良，3#、5#傳感器位置也出現(xiàn)不同程度的滲水。

圖7 淋雨試驗

3個螺栓松動與密封條不連續(xù)所造成的滲水點(diǎn)與歸一化評價因子超標(biāo)結(jié)果吻合。證明了基于超聲導(dǎo)波信號特征的密封質(zhì)量檢測方法的有效性。

4 結(jié)論

提出了一種基于超聲導(dǎo)波信號特征的密封質(zhì)量檢測方法，該方法可以定位密封缺陷位置并區(qū)分密封缺陷類型。針對超聲導(dǎo)波信號受密封性能的影響，基于信號到達(dá)時間(TOF)與能量(E)差異兩種特征提出兩種衡量密封質(zhì)量的評價因子。這兩種因子分別代表了預(yù)緊力缺失與密封條損傷兩種密封缺陷。通過口蓋淋雨水密性檢測實驗，驗證了基于分布式壓電傳感器和超聲導(dǎo)波的密封缺陷診斷技術(shù)在口蓋密封性檢測領(lǐng)域的實用性。

結(jié)果顯示：

1) 螺栓松動位置的超聲導(dǎo)波信號信號到達(dá)時間(TOF)更長。

2) 密封條不連續(xù)位置的信號能量更高。