无损检测在航空的应用

1、word武汉理工大学课程论文2022 2022 学年 2 学期 无损检测技术学号 姓名 郑茂文无损检测技术在航空上的应用1 背景在航空工业中采用无损检测, 对于保证产品质量、降低原材料的损耗, 具有十分重要的意义。随着新材料、新结构和新技术在飞行器中的广泛应用, 有时会遇到常规无损检测技术无法满足检测要求的状况, 如必须在高温、高压、毒等恶劣检测环境下进行等。激光散斑、激光超声、红外热像、结构健康监测等无损检测新技术应运而生, 这些无损检测新技术均具有显示直观、检测速度快、检测效率高, 以及可实现非接触、远距离及大面积检测等特点, 弥补、克服了常规无损检测技术的检测难点或应用局限,满足了不断提

2、高的检测需求, 正逐渐成为航空工业无损检测保障 体系中 的新 成员, 有着 广阔 的有应 用前景。原理：无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。它与破坏性检测相比，无损检测有以下特点。第一是具有非破坏性，因为它在做检测时不会损害被检测对象的使用性能；第二具有全面性，由于检测是非破坏性，因此必要时可对被检测对象进行100%的全面检测，这是破坏性检测办不到的；第三具有全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都是针对制造

3、用原材料进行的，对于成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否那么是不能进行破坏性检测的，而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。所以，它不仅可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测。1 各种无损检测新技术在航空工业中的应用以及其设备，缺陷和检测方法 1.1激光散斑检测技术纵观激光检测技术的开展历史, 经历了几个开展阶段。20 世纪 80 年代, 出现了激光全息技术, 虽具有灵敏度高的优点, 也存在着干版化学处理繁琐、必须在隔振台和一定暗室条件下才能工作的缺点。通过 CCD 摄像机取代干版、隔振性能改善等一系列改良, 出现了电子散斑干预 技术( E

4、SP I) , 但其还不能适应现场检测的需要, 目前已进入到激光错位散斑技术时代。激光 散斑 检测 技术是利用激光干预原理, 测量物体外表的离面位移, 通过选用适当的加载方式( 加热、真空、加压、振动等) , 使激光超声检测复杂型面零件缺陷处产生与正常部位不一样的离面位移, 从而在检测图像中显示出来, 其机理如图 1 所示。具有非接触检测、微米级能可靠检测、变形信息二维实时显示、能检测出紧贴性脱粘缺陷、高灵敏度和高效率的优点。激光散斑检测技术已在航空工业中得到广泛应用, 据美国 L T I 公司介绍, 该公司的激光散斑 系统在世界范围内已经安装使用了 450 套, 主要用于复合材料结构缺陷的检

5、测。如夹层结构的脱粘、层板结构的分层、蜂窝芯格变形、拼接裂纹、气泡、冲击或撞击损伤、渗水、腐蚀和外来物等。目前高分辨率的激光散斑检测系统可检测出 91. 4 cm 视场范围内大小仅 0. 64 cm 的机身脱胶缺陷, 激光散斑检测技术应用实例如图 2 所示。值得注意的是由于该技术是通过外表变形检测缺陷的, 某些加载方式有时会使被测缺陷产生异常变形, 因此, 如有可能, 应先采用材料力学性能数据预测可检测性。1.2激光超声检测技术是一种将激光技术与声学技术相结合的无损检测新技术, 其研究始于 1962 年, 通过高能脉冲激光加热被测件外表一点, 瞬间热膨胀产生超声波向内部传播, 再利用光学干预系

6、统检测外表返回的振动信号,其检测机理如图 3 所示。与传统超声检 测技术相比, 其最主要的优点是非接触检测, 消除了传统超声检测技术中耦合剂的影响; 超声传播方向与激发用激光脉冲的入射方向无关, 适合检测复杂型面; 探测激光束可被聚焦成非常小的点, 具有微米量级的空间分辨率; 加之又是一种宽带检测技术, 能精确测量超声位移。但也存在着价格昂贵、单通道检测、效率低缺点。基于激光超声技术的 非接触、遥 测、宽带 等特点, 在航空工业中, 主要应用于新型薄膜材料、复杂形状外表结构, 以及高温、高压、有毒等恶劣环境下的无损评估, 如飞机整体机身的快速激光超声成像、复杂型面飞机零件检测等, 复杂型面飞机

7、零件的激光超声检测图像如图 4 所示。与扫描探针显微镜相结合, 还可开展纳米尺度上的材料特性研究。目前洛克希德马丁公司已拥 有 3 套激光超 声检测统, 成功地进行了相关的应用研究。1.3红外热像检测技术红外 热 像 检 测 技 术 ( Inf rared T her mog raphytesting) 是通过特定加热方式使缺陷处产生与正常部位的温度差, 使用红外热像仪监测外表温度, 从而发现缺陷, 并以视频方式记录下来, 其机理如图 5 所示。与常规无损检测技术相比, 具有非接触检测、检测速度快、检测结果显示直观的特点, 非常适用于检测机头雷达罩、机身蒙皮等复合材料结构缺陷。红外热像检测技术

8、已在国外军用和民用航空领域得到了广泛应用。与常规射线检测技术相比采用红外热像检测技术检测方向舵、升降舵等构件蜂窝积水, 不仅快、方便, 而且还可检测出蜂窝格孔中10% 的积水, 目前此技术已分别纳入波音、空客维修手册。对于桨叶内部裂纹, 由于常规射线和超声检测技术无法检测, 原先只能采用敲击法检测, 不仅效率低下, 而且测试结果也不准确。现采用红外热像检测技术, 1 h 就可检测一片桨叶。另外, 采用红外热像检测技术检测碳纤维复合材料层压板缺陷, 也取得了很好的效果, 如图 6 所示为碳纤维复合材料层压板缺陷红外热像一组检测图像, 从图中可清晰地显示圆形缺陷是夹在碳纤维层压板中的聚四氟乙烯层压

9、片形成的, 楔形缺陷是不锈钢片抽出后形成的空气隙。1. 4结构健康监测技术由于民用飞机现行设计寿命一般可达 20 30年, 最高可飞行 90, 000 次, 未来这一性能指标要求还会更高。据统计, 大型国际航空公司运行开支中的 12% 被用于维护和检测, 每年可达 90 亿美元左右, 而地区性航空公司该费用平均也到达了 20% ,每年花费约 10 亿美元。FA A 由此要求采用结构健康监测技术以实现 视情维护 ( condit ion based m a-int enance) , 希望航空工业因此 每年可节省约 2530 亿美元。结构健康监测技术( St ruct ural H ealt h

10、 M onit o-ring, SH M ) 是一种 多领域、跨学科的综合 性技术,利用集成在结构中的传感元件, 可监测缺陷与损伤、载荷/ 应变、飞行参数、环境状况等参数, 在线、实时获取结构健康信息并进行处理, 识别状态及损伤, 为航空结构系统的维修维护提供决策依据。其主要目标是将目前常规无损检测技术的人工周期性检测改为连续的自动状态监测, 提高可靠性和平安性、减少维护费用、降低整体拥有本钱。与常规无损检测技术相比, SH M 的传感 器通常永久性安装 或嵌入结构, 安装后不再需要手工操作传感器, 能自动完成在线检测过程, 节省人力、防止人员因素干扰。目前国外一些国家已开展了一系列的 SH

11、M 技术探讨和尝试并初具成效, 但由于 SH M 技术是多学科相互结合交叉的技术, 且飞机结构形式和使用环境又十分复杂, 尚有许多理论和技术难题需要进一步研究和完善, 这些都极大地限制了 SH M 技术的实际应用。.word2 未来航空无损检测开展趋势随着航空工业检测需求的不断提高, 越来越多的无损检测新技术正逐渐成为航空工业无损检测保障体系中的新成员, 它们弥补了常规无损检测技术的检测难点, 有着广阔的应用前景, 未来航空工业无损检测新技术的开展趋势主要有以下几个方面。( 1) 快速、高效、自动化检测 为到达提高检测效率、降低检测本钱的目的, 使之更适合未来航空制造业的需求, 提高无损检测技

12、术的成效, 就必须开展适合航空制造业快速、高效、自动 化检测的探索 研究。据统计, 国外自 20 世纪 90 年代后期已开始将无损检测技术研究的重点转移到快速、高效、自动化检测的无损检测方向, 而且有了初步应用成果。与兴旺国家相比, 目前我国在这方面的差距还很大。( 2) 缺陷可视化 为使缺陷显示直观, 便于实现对缺陷特征信息的自动、有效的提取和识别, 从而为进一步地分析和处置做好前期准备, 就必须开展缺陷可视化研究。( 3) 适合航空工业的、采用无损检测新技术的设备、设施的自主研发 要使无损检测新技术在航空工业中获得更大的效益, 在很大程度上是通过一定的无损检测硬件平台来实现的。因此, 应在充分利用国际技术平台但不是盲目地采购实 物的根底上, 自主研究和开发适合航空工业的、