基于压电传感网络的结构健康监测扫查系统的设计及实验研究(英文)

基于主动Lamb波和压电传感器网络的结构健康监测技术是一种评估航空结构健康状态的有效方法。在实际应用中,监测大型结构需要使用压电传感器网络。扫查这些压电传感器网络中的压电激励-传感通道以达到在线的结构健康监测是非常重要的。基于PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)平台,研发了一套基于主动Lamb波和压电传感器网络的集成多通道扫查系统,该系统结构紧凑、便于携带,能大规模自动扫查激励-传感通道并进行损伤评估。提出和讨论了该系统中:4通道PXI程控增益电荷放大器的实现、支持276个激励-传感通道的外部扫查模块和集成的结构健康监测软件的实现。最后,主要讨论了系统在某型无人机碳纤维复合材料机翼盒段上的功能验证实验,包括:压电贴层的设计、激励信号频率的选择方法、损伤成像的功能性测试、系统稳定性测试和载荷对信号的影响。实验结果验证了该系统的稳定性和损伤监测功能。     

蜂窝胶接结构敲击自动检测系统

文摘蜂窝胶接结构使用敲击法检测时,由于蒙皮厚度增加导致检测灵敏度降低。本文针对这一不足,设计了一套由控制计算机、扫查机构、敲击锤等组成的敲击检测系统,旨在通过自动机械控制技术与C扫描显示技术相结合,直观显示全面的产品检测数据,使检测灵敏度、检测可靠性得到提高。为验证系统检测效果,在胶接结构试样中设计了人工缺陷,针对试样检测结果表明,系统检测效果良好,适用于实际产品检测,有利于实现对产品质量检测结果的客观评价。     

气口布置对进气涡流及扫气品质的影响

采用数值方法研究了气口布置对进气涡流及换气品质的影响,建立了缸内过程的三维瞬态数值模型,通过改变气口平射角引入进气涡流,根据归一化缸内二氧化碳质量分数评价扫气品质,对比了不同气口布置角度下的涡流比及扫气品质.结果表明:①改变气口平射角能够产生包括涡流在内的旋转流动,涡流持续到上止点附近,并近似为刚体涡;②进气涡流造成扫气过程中期短路损失,并使CO₂聚集于旋转区域中心;③扫气口仰角变大或排气口沿旋转流动方向远离扫气口,能够抑制短路;扫气口平射角减小时,上止点附近的涡流比降低,短路损失增大.      

管道焊缝超声P扫描成像检测技术

介绍采用便携式自动扫查系统的超声P扫描成像检测技术,通过三视投影成像对缺陷进行定性定量综合分析诊断.检测结果表明,采用P扫描成像方法可以准确判断焊缝中缺陷的位置、大小、分布、取向等特征.     

波音737飞机复材面板雷击分层损伤的超声检测

通过研究深航现役波音737飞机雷击后的损伤表现形式,利用超声脉冲扫查方法检测复材面板的雷击分层,以不同波形变化分析面板层可能存在的不同损伤形式,为区分缺陷回波与板面回波提供参考。     

压电-光纤综合结构健康监测系统的研究及验证

以某型无人机机翼盒段试验件为对象,进行了压电-光纤综合结构健康监测系统的研究。自主研发了国内首台集成压电多通道扫查系统,可实现多达552个激励 传感通道的损伤自动扫查,并同光纤光栅解调系统组合,自行开发了集成健康监测系统软件,构成了压电-光纤综合结构健康监测系统。基于该系统进行了大型碳纤维复合材料盒段试验件弯扭强度实验过程中的结构健康监测功能验证研究,监测结构尺寸达4000 m×1200 m×0.265 m,监测对象包括结构的应变场分布及抽钉失效。系统监测了全盒段上下壁板共34点的应变场分布情况,应变场监测准确;监测系统不仅对结构抽钉的缺失实现了准确监测,而且可以分辨所实验结构的4种抽钉缺失程度。     

涡流法对不同厚度隔层下裂纹检出概率的测试研究

介绍了用涡流法对不同厚度隔层下裂纹检出概率的测试研究,作了一定量的试验,给出了涡流法检测不同厚度隔层下裂纹检出概率系列化数据,可指导今后同类结构的检测,为结构损伤容限设计、可靠性设计提供参考依据。     

直升机涡轴发动机叶片损伤检测与定量评估

针对某型舰载直升机涡轴发动机第1级压气机叶片无法实现损伤原位检测与定量评估的技术难题,结合实际工况,选 取涡流检测作为原位无损检测方法,进行涡流检测定量评估方法研究。通过设计专用传感器和预制人工裂纹的试块,根据传感器 检测情况,利用相位转化法得到人工缺陷的涡流检测幅值。采用正态概率分布和一元线性回归分析进行定量评估,得到涡流检测 阻抗平面缺陷与检测信号的定量关系,解决了涡流检测仪阻抗平面显示标定定量评估的难题。对定量关系进行了检验,结果表 明：所设计的专用传感器可有效解决第1级压气机叶片裂纹缺陷的检测问题;得到的定量关系y=585.29x-51.531符合实际情况,将 该定量方法用于涡流检测仪进行定量评估,可实现自动评估,对实际应用具有指导意义。     

涡流C扫描在钛合金SPF/DB结构检测中的实验研究

为了探索SPF/DB结构检测中有效的检测方法,应用涡流C扫描对钛合金SPF/DB结构进行了检测实验,将涡流C扫描结果和SPF/DB结构检测中常用的超声C扫描结果进行了对比分析。结果表明,涡流C扫描能够检测出SPF/DB结构的界面宏观缺欠以及一定尺度以上的界面微观缺欠,在SPF/DB结构检测中是可行的。有必要对该检测方法的有效性和检测结果的可靠性进行深入研究。     

涡流阀几何参数对固体发动机推力调节特性的影响

为了获得涡流阀参数对发动机推力调节性能的影响规律,针对涡流阀的加注方式以及几何结构,利用建立的基于涡流阀方案的固体火箭发动机推力可调实验系统开展了实验研究。通过实验结果的分析,得到了加注环孔径、涡流室高度和直径以及中心进气面积的不同对涡流阀调节性能的影响规律。结果表明:适当降低涡流室的高度、较大的中心进气面积、较大的涡流室直径有利于提高涡流阀的调节性能。因此,可以通过对涡流阀结构的优化设计来提高发动机的推力调节性能。     

航空发动机叶片表面损伤与检测研究进展

航空发动机叶片的工作环境极其恶劣,表面会出现各种类型的损伤。在损伤早期进行表面检测能够有效预防因损伤扩展导致的叶片失效断裂。发动机叶片表面损伤的检测和评估主要由人工操作,严重依赖工作经验,但人工检测不仅效率低下,而且检测结果容易受到人为因素的影响。为了高效、高精度地检测发动机叶片表面损伤,从叶片失效形式出发,综述了发动机叶片在停放和运行2种状态下的损伤机理,并重点阐述了涡流检测、渗透检测等常用于叶片表面损伤检测的方法。总结了基于机器视觉的检测技术,分析机器视觉检测面临数据集稀缺和单一性的挑战,认为收集大量数据并进一步完善评估标准是未来发动机叶片表面损伤检测系统研究的重点方向。     

含缺陷轮盘失效概率分析流程与数值模拟

传统的涡轮盘寿命预测方法未考虑材料初始缺陷,因而无法对带缺陷轮盘进行较准确的寿命预测。本文以加工制造过程中产生的不同缺陷分布特征为基础,重点针对加工导致的孔表面缺陷以及与材料固有的表面、亚表面及内部缺陷,开展航空发动机涡轮盘的失效概率分析。考虑了初始缺陷、应力、检测时间、检测水平等多种随机性对涡轮盘失效概率的影响,建立了含缺陷涡轮盘的失效概率分析流程。为提高计算效率,对轮盘固有缺陷的分析方法进行改进,对轮盘重新分区,并将表层细分为表面、亚表面、内部三部分分别进行计算。通过编写C++程序分析并验证了含缺陷轮盘失效概率分析方法的可行性,获得的结论具有工程应用参考价值。本文方法在满足一定精度的同时具有较高的计算效率,并对应力水平、检测时间的分散性和模拟次数等对失效概率的影响进行了讨论。     

阵列涡流传感器互感信息三维有限元仿真

阵列涡流传感器能够实现导电材料的大面积高速扫描。通过测量线圈间的互感,可获取更多的缺陷信息。利用ANSYS有限元软件对同一深度不同长度的裂纹进行三维仿真,得到了相应的阵列涡流线圈感应电动势幅值和相位变化曲线。仿真结果表明探头线圈间的互感可提供裂纹大小和位置等有用信息。     

高均匀扫描电机轴面不平行度动态测量方法研究

为了解决高均匀扫描电机转动轴位置未知时与反射镜面不平行度的测量问题，提出了一种动态的光电测量方法；在激光测量光路中，利用扫描电机在位置敏感传感器（PSD）上的扫描曲线，并根据光学成像原理和扫描曲线的外形特征，设计了一个光学实验系统；利用实验方法建立了轴面俯仰角度与扫描曲线形状的关系式，最后对扫描电机轴面不平行度的特性进行了测试分析。实验表明，此种测量方法能够很好地解决动态测量扫描电机轴面不平行度的问题。     

盘轴转子系统临界转速计算的改进传递矩阵法

在用传递矩阵法分析转子系统的临界转速时,传统的方法是忽略轮盘的厚度,将轮盘的传递矩阵作为点矩阵来处理的,这样会导致转子轴的刚度比实际模型的低,进而导致临界转速的计算结果偏低。本文将通过轮盘的传递矩阵作为场矩阵来处理,对计及轮盘厚度的传递矩阵进行了推导。分别使用传统传递矩阵法和本文提出的改进传递矩阵法对2个盘在不同位置的单盘转子模型以及一个多盘转子系统的临界转速进行了计算。对比结果表明,传统传递矩阵法的计算误差很容易就会达到一个不可忽略的水平,改进的传递矩阵法解决了这一问题。     

Numerical investigation of windage heating within shrouded rotor-stator cavity system with central inflow

The rotating disk surface temperature rise due to windage heating effect by numerically modeling the turbulent flow within a rotor-stator cavity which is available with a peripheral shroud and imposed through airflow was dealt with. The windage heating may be defined as viscous friction heating caused by relative velocity differences across the boundary layers between the fluid and the rotating disk surface. The kinetic energy dissipation process could transform the rotating shaft power into thermal heating. Commercial finite volume based solver, ANSYS/CFX was employed to numerically simulate this physical process by using the shear stress transport (SST) turbulence model. CFD results include the rotating disk surface temperature axial distribution and tangential velocity distribution of the fluid domain. The velocity difference between the result obtained by particle image velocimetry (PIV) experiments and CFD simulation are within 5%. The adiabatic disk temperature rise can be calculated by the tangential velocity of disk and fluid in large gap ratio and turbulent parameter. CFD temperature distribution results and those estimated via velocity differences are within 10%.     

叶片─盘─轴整体转子振动特性分析

提出分析盘-片-轴全弹性整体转子系统动力特性的新方法。采用刚盘-轴组件和盘-片组件作为两个子结构, 应用模态综合, 导出了整体转子的运动方程, 求解了相应的广义陀螺特征值问题, 求得涡动频率、涡动模态和临界转速, 判断了正、负进动。对盘-片组件执行了几何非线性大变形分析, 求出动平衡位置和切线刚度阵, 准确计算了离心力的刚度效应。利用盘-片组件的回转对称性, 采用群论算法, 把自由度缩聚到一个扇区, 克服了算机容量的困难。编制了盘-片-轴耦合振动的大型有限元程序。进行了盘-片-轴耦合振动的试验研究, 试验与计算结果一致。      

错频转子系统动力特性研究

根据某级压气机叶／盘转子的实际结构，建立了叶／盘带短轴的有限元模型。采用NASTRAN结构分析软件，得到了模化协调转子所需的数据，构建了多自由度叶／盘转子系统动力学模型，并在此基础上通过改变多自由度模型中叶片刚度实现错频。采用基尔法求解错频转子系统的运动方程。获得了此多自由度系统的动态响应，并对不同错频方案进行了对比分析。     

人工槽模拟GH4169涡轮盘表面裂纹缺陷的微磁检测

针对航空发动机涡轮盘表面裂纹缺陷,提出一种地磁场环境下的微磁无损检测(NDT)方法。磁化试验测得了广泛使用的镍基高温合金GH4169材料的磁化特性曲线,通过磁性分析,证明该材料的相对磁导率略大于空气的相对磁导率,为弱顺磁性物质。理论分析了微磁检测适用于涡轮盘试件的检测原理和缺陷处的磁异常特征,通过对预置人工槽缺陷的涡轮盘试块进行检测,验证了理论分析的正确性。检测结果表明,随着涡轮盘表面裂纹宽度和深度的增加,磁异常的宽度和峰值也相应增加,裂纹宽度相同时,深度越深,或者说深宽比越大,磁异常越明显,且裂纹产生的位置对定位精度存在一定的影响。该微磁检测方法为涡轮盘表面裂纹缺陷的有效检测提供了新的思路,能进一步推广应用于飞机发动机的其他部件,如转子叶片、涡轮轴等,以及飞机机身上具有相似磁学特性的材料的无损检测。