耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

现有裂纹监测技术多存在耐久性差、虚警率高的问题。以物理气相沉积（PVD）薄膜传感器为研究对象,提出了提高其耐久性的方案,并检验了其在耦合服役环境下的监测性能。首先,选定了Cu作为使传感器耐久性最佳的导电传感层沉积材料,并采用离子镀氮化铝（AlN）薄膜和涂覆705硅胶对PVD薄膜传感器进行了封装保护;然后,综合考虑服役环境因素,编制加速环境谱,将经过封装的制备有薄膜传感器的试验件进行环境耦合加速试验;最后,对环境试验后的薄膜传感器开展疲劳裂纹监测试验,并将薄膜传感器监测结果与显微镜观察测量结果进行对比。试验结果表明：薄膜传感器能承受1 000 h严酷环境的考验,具有较高的耐久性和稳定性;环境试验后的薄膜传感器对裂纹变化敏感,PVD薄膜传感器的监测结果与基体裂纹扩展的实测信息相一致,PVD薄膜传感器的电位监测信号可以作为裂纹扩展状态和结构损伤程度的监测判据,PVD薄膜传感器可以实现对金属结构裂纹的定量监测,监测精度可达到1 mm。     

贴附式涡流传感器损伤监测特性仿真与实验研究

为满足飞机结构裂纹扩展定量化监测和工程化应用的需求,探索MWM(Meandering Winding Magnetometer)传感器进行结构健康监控的可行性,设计了一种贴附式涡流阵列传感器并为传感器的工程化应用开展了仿真优化和实验研究。基于裂纹扩展分段监测的思路,传感器的感应线圈和激励线圈采用阵列化设计。通过将材料的电导率提取为结构的等效损伤参数,构建了传感器损伤监测正向半解析模型,并对线圈厚度和基材层厚度进行了优化。为验证传感器的监测能力,开展了程序载荷谱下的2A12-T4铝合金阳极氧化试件的疲劳裂纹扩展监测实验。仿真优化结果表明,传感器监测灵敏度随提离距离的增加而减小,传感器最优工作频率范围为0.3~0.7MHz。裂纹扩展监测实验结果表明,贴附式涡流传感器具备对金属结构进行实时损伤监测的能力,感应线圈的阵列化布置方式实现了裂纹扩展的定量监测,精度达到毫米级,同断口分析结果相比,平均监测误差为3.85%。     

基于光纤光栅与BP神经网络的孔边裂纹监测研究

含孔金属结构的孔边裂纹监测对于保障飞行安全,增强飞机结构可靠性具有重要意义。为实现对孔边裂纹扩展的监测,进行含有孔边角裂纹的含孔铝合金板疲劳加载试验,得到含孔铝合金板试验件的a-N 曲线以及孔边裂纹扩展过程中光纤光栅应变传感器中心波长偏移量;利用包络分析法、BP 神经网络等损伤识别算法对试验数据进行处理与分析;建立能够以光纤光栅应变传感器中心波长偏移量识别孔边裂纹扩展的监测模型,并通过试验对监测模型进行验证。结果表明：此监测模型可有效识别出孔边角裂纹的扩展与穿透,对孔边角裂纹扩展长度监测的准确度达到了97.2%,未来可应用于全机地面疲劳试验、飞机结构健康监测等多种场景。     

铝合金腐蚀损伤规律及蚀坑当量化技术研究

通过开展2024-T62和7804-T74两种铝合金板材单腐蚀坑形成及扩展试验,获得了铝合金腐蚀损伤的一般规律及2024-T62铝合金腐蚀损伤特征量对时间的定量关系;同时研究了蚀坑初始裂纹当量化技术,基于断裂力学方法预测了含蚀坑损伤试样的疲劳寿命,与试验结果进行分析对比,显示预测和试验结果很好吻合,验证了蚀坑当量化技术...     

基于多传感器的裂纹扩展监测研究

疲劳裂纹扩展是结构健康监测的主要问题之一，为了保证金属结构的可靠和安全运行，实时监测结构的疲劳裂纹扩展过程十分必要。针对结构裂纹扩展的问题，采用压电传感器（PZT）和电阻应变片两种传感器，提出结合能够连续监测结构损伤的被动监测方法以及对微小损伤敏感的主动监测方法对裂纹扩展进行综合监测，以提高裂纹扩展的监测水平。采用随机森林算法对裂纹长度进行识别，并使用D-S证据理论对两种传感器的识别结果进行数据融合，得到比单一传感器更准确、可靠的裂纹扩展识别结果。进行了基于应变和主动Lamb波的裂纹扩展监测实验研究，验证了该方法对提高裂纹扩展监测识别准确率的有效性和实用性。     

长期大气腐蚀对2A12-T4铝合金结构疲劳性能的影响

开展了2A12-T4铝合金平板试验件、螺栓干涉试验件和冷挤压后螺栓干涉试验件在海南万宁大气环境下暴露腐蚀7年、12年和20年后的疲劳试验,进行了试验件腐蚀形貌分析、断口形貌分析和断口附近的侧边损伤形貌分析,并讨论了结构裂纹萌生位置、结构断裂部位和寿命变化规律等疲劳特征的形成原因和机理。研究结果表明:平板试验件和冷挤压后螺栓干涉试验件在腐蚀20年后的疲劳寿命与腐蚀12年相比基本持平,而螺栓干涉试验件的疲劳寿命持续下降;在长期大气腐蚀环境下结构局部强度的衰减速度排序是:螺栓干涉强化部位>未强化部位>冷挤压后螺栓干涉强化部位;2A12-T4铝合金材料在L-S面中部的腐蚀敏感性与L-S面侧边和L-T面相比更弱;L-S面发生的沿晶腐蚀是疲劳开裂的主要萌生源,长期腐蚀后侧面密集损伤导致的能量分散是使腐蚀20年后平板试验件寿命与腐蚀12年相比无明显下降的主要原因。     

腐蚀/疲劳交替作用下飞机金属材料疲劳寿命计算方法

 使用环境下飞机金属结构剩余寿命评定是确定飞机结构疲劳寿命与日历寿命关系的关键。为此,本文模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,提出了腐蚀/疲劳交替作用下飞机金属材料的疲劳寿命计算方法。首先,通过分析2A12-T4铝合金试样预腐蚀/疲劳试验结果,发现其在模拟腐蚀/疲劳交替作用时计算得到的疲劳寿命偏于保守。随后,根据2A12-T4铝合金试样真实的交替试验结果,采用回归算法,建立了基于均匀分布耦合损伤形式的腐蚀/疲劳交替寿命计算模型;并分别采用BP、Elman神经网络对上述模型的计算结果进行验证。结果表明,本文提出的均匀分布耦合损伤模型计算结果与真实试验结果吻合较好;通过进一步的计算与试验对比发现,该模型也可以用于加载循环与腐蚀周期组合发生变化时的疲劳寿命预测,具有较好的适用性。     

7A12-T7352铝合金高温力学性能及断裂行为研究

研究了7A12-T7352铝合金在室温~175℃温度范围内的拉伸性能及断裂行为。利用SEM,TEM分析合金经不同温度拉伸测试后的显微组织及断口形貌。结果表明:随试验的温度升高,7A12-T7352合金的拉伸强度逐渐降低,伸长率呈先增加后降低的变化趋势;7A12-T7352合金在高温拉伸过程中,析出相相对稳定,未发生明显长大;随试验的温度升高,断口中高温滑移特征以及基体/沉淀相界面的滑脱越来越显著,试验温度对7A12-T7352合金的变形、断裂特征有显著影响。     

2A12-T4铝合金长期大气腐蚀损伤规律

在海南省万宁地区开展了2A12-T4铝合金暴露7年、12年和20年的大气腐蚀试验,根据腐蚀特征将腐蚀区域划分为单侧腐蚀区和双侧腐蚀区,以结构最小剩余厚度值作为腐蚀特征量,进行了不同年限试验件中不同腐蚀区域最小剩余厚度的测量和统计分析,确定了满足99.9%可靠度与95%置信度的最小剩余厚度值以及95%置信度下的最小剩余厚度置信区间,并开展了腐蚀损伤形貌的金相分析。研究结果表明:2A12-T4铝合金大气腐蚀特征量服从正态分布;在大气腐蚀7~20年间2A12-T4铝合金板件的最小剩余厚度值是线性减小的;2A12-T4铝合金大气腐蚀7年后处于点蚀、晶间腐蚀、剥蚀的过渡期,12年后发生全面剥蚀,20年后剥蚀已相当严重且伴随着点蚀;双侧腐蚀区与单侧腐蚀区相比腐蚀深度更大且剥蚀层剥落严重。     

低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能,欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs),并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验,并与2024-T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024-T3铝合金板和复合材料板分别高出约40%和6倍;在相同能量下,FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30%~50%。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟,其中铝层采用延性损伤理论,纤维层采用Hashin失效准则,分析了层合板的动态冲击响应,总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。     

Crack monitoring method based on Cu coating sensor and electrical potential technique for metal structure

Advanced crack monitoring technique is the cornerstone of aircraft structural health monitoring.To achieve real-time crack monitoring of aircraft metal structures in the course of service,a new crack monitoring method is proposed based on Cu coating sensor and electrical potential difference principle.Firstly,insulation treatment process was used to prepare a dielectric layer on structural substrate,such as an anodizing layer on 2A12-T4 aluminum alloy substrate,and then a Cu coating crack monitoring sensor was deposited on the structure fatigue critical parts by pulsed bias arc ion plating technology.Secondly,the damage consistency of the Cu coating sensor and2A12-T4 aluminum alloy substrate was investigated by static tensile experiment and fatigue test.The results show that strain values of the coating sensor and the 2A12-T4 aluminum alloy substrate measured by strain gauges are highly coincident in static tensile experiment and the sensor has excellent fatigue damage consistency with the substrate.Thirdly,the fatigue performance discrepancy between samples with the coating sensor and original samples was investigated.The result shows that there is no obvious negative influence on the fatigue performance of the 2A12-T4 aluminum alloy after preparing the Cu coating sensor on its surface.Finally,crack monitoring experiment was carried out with the Cu coating sensor.The experimental results indicate that the sensor is sensitive to crack,and crack origination and propagation can be monitored effectively through analyzing the change of electrical potential values of the coating sensor.     

含腐蚀预损伤铝合金2024-T62的疲劳断裂行为及基于断裂力学的寿命预测

针对2024-T62铝合金薄板系统地开展了腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线、小裂纹萌生行为、长短疲劳裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为的影响等试验研究.结果表明:腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线及材料疲劳小裂纹萌生行为有明显的影响,但时材料长短裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为没有明显的影响.通过假定腐蚀预损伤为初始小裂纹...     

2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔疲劳特性研究

2524-T3铝合金被认为是目前综合性能最好的飞机蒙皮用铝合金,研究其在疲劳载荷状态下的力学性能对材料的安全使用具有重要的意义。通过疲劳试验研究2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样在一种典型应力比、不同载荷水平下的疲劳性能,得到铆钉填充锪窝孔试样疲劳裂纹寿命的p-S-N曲线,同时借助扫描电镜观察疲劳裂纹的萌生和扩展行为。研究结果表明：2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样具有良好的抗疲劳损伤性能;在指定疲劳寿命条件为3×106周次下,试样在室温轴向疲劳加载条件下的条件疲劳极限为108MPa;疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区组成。     

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。      

铝合金搅拌摩擦焊缝和母材疲劳裂纹扩展行为

对7075-T6和LC4CS两种铝合金搅拌摩擦焊缝的疲劳裂纹扩展(da/d N)行为进行实验研究,并与7075-T6母材疲劳性能进行对比分析。结果表明:沿焊缝中心、前进和后退边方向,7075-T6搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展速率da/d N均低于LC4CS的da/d N;但沿垂直于焊缝方向两者da/d N基本一致;同种材料焊缝中心da/d N为最低,其次是后退边和前进边,而沿垂直焊缝方向da/d N为最高;7075-T6焊缝中心da/d N与其母材比较,低载荷ΔK下焊缝中心的da/d N较低、但高ΔK下母材的da/d N较低;在前进边、后退边和母材区域疲劳裂纹断口形貌明显不同,在母材区域可以观察到典型的疲劳条纹特征;但沿焊缝中心(焊核)的疲劳裂纹断口,没有任何疲劳条纹特征;7075-T6搅拌摩擦焊缝比LC4CS焊缝具有更好的抗疲劳裂纹扩展阻力,在高ΔK载荷下搅拌摩擦焊核区细小等轴晶粒不能提高疲劳裂纹扩展阻力。     

点蚀损伤7075-T6铝合金弹性性能计算模型的理论与实验研究

 点蚀坑是高强度铝合金材料中广泛存在的一种腐蚀形式,这种点蚀损伤会导致材料性能的下降,严重地威胁着结构的承载能力。根据点蚀损伤的特点,在细观力学的理论基础上,建立了点蚀损伤材料弹性性能计算的孔隙率模型。使用7075-T6铝合金,在连续酸性盐雾环境下进行预腐蚀。根据预腐蚀件的拉伸实验结果,对模型的正确性进行验证。模型计算与实验结果的对比证明了本文方法的可行性与正确性。     

Improving accuracy of damage quantification based on two-level consistency control of PZT layers

Structural health monitoring-based quantitative damage diagnosis technique plays a key role in real-time condition monitoring. Among the current research, piezoelectric (PZT) sensor and Guided Wave (GW) based damage quantification methods are promising, which normally establish a calibration model between GW feature and damage degree by experiments on batch specimens, and then conduct the calibration model on the monitored specimen. However, the accuracy of PZT and GW based damage quantification is affected by dispersion introduced by sensor network performance, structural material, and damage propagation among the adopted batch specimens. For improving the accuracy of damage quantification, this paper adopts PZT layer as sensor network and creatively implements theoretical and experimental research on batch PZT layers consistency control. On one hand, a two-level consistency control method based on multidimensional features-Euclidean distance is proposed to ensure the performance consistency of PZT layers placed on different specimens. On the other hand, experimental research on typical aircraft lug structures is also carried out to evaluate the requirement on performance consistency of PZT layers when performing quantitative damage diagnosis, and further verify the proposed two-level consistency control method. Experimental results show that the accuracy of damage quantification raises by 38% when the dispersion of different PZT layers is controlled within 5%.     

Individual aircraft life monitoring: An engineering approach for fatigue damage evaluation

Individual aircraft life monitoring is required to ensure safety and economy of aircraft structure, and fatigue damage evaluation based on collected operational data of aircraft is an integral part of it. To improve the accuracy and facilitate the application, this paper proposes an engineering approach to evaluate fatigue damage and predict fatigue life for critical structures in fatigue monitoring. In this approach, traditional nominal stress method is applied to back calculate the S-N curve parameters of the realistic structure details based on full-scale fatigue test data. Then the S-N curve and Miner’s rule are adopted in damage estimation and fatigue life analysis for critical locations under individual load spectra. The relationship between relative small crack length and fatigue life can also be predicted with this approach. Specimens of 7B04-T74 aluminum alloy and TA15M titanium alloy are fatigue tested under two types of load spectra, and there is a good agreement between the experimental results and analysis results. Furthermore, the issue concerning scatter factor in individual aircraft damage estimation is also discussed.