基于超声导波的飞行器密封质量检测方法

高东岳，徐颖珊，郭健，庞冬晫

(1.中山大学 航空航天学院， 广州 510275； 2.北京空天技术研究所， 北京 100074)

为了安装和维修设备、加注燃料与冷却剂，飞行器结构上开设了许多的窗口或口盖，这些口盖与结构口框之间通过螺栓提供预紧力，并利用密封垫、密封胶等技术手段进行密封[1]。用弹性体密封材料，例如密封垫(圈、片、条等密封件)进行密封，可拆卸，便于更换，是最普遍使用的密封技术。但由于固体密封填充缝隙的性能随时间老化，在长期用于有沟槽和孔洞、表面粗糙、表面不平整等部位时可能会影响防水效果。因此评价口盖界面密封条件，进而对口盖密封质量进行控制，成为口盖设计与维护的重要环节[2-3]。

基于超声导波的损伤诊断方法具有检测能量集中，传感器网络尺寸小、质量小、便于大面积布置等优点，在航空航天结构健康监测与寿命预测领域受到广泛关注[4-5]。超声导波信号特征对结构连接的界面质量非常敏感，文献[6-8]从理论和实验两方面研究了超声波与非理想界面的相互作用。由于超声导波在结构健康监测中的潜在应用，研究人员已经开展了涉及检测多种类型缺陷(如疲劳裂纹、脱胶等)与导波相互作用机理的数值、分析和实验研究[9-10]。

近年来，通过分析超声导波信号特征变化来表征接触面质量的思路，被认为是检测接触状态的一种潜在的有效方法，而获得大量研究[11]。Balvantn A J等[8]发现，兰姆波的群速度信号特征与固体接触之间的界面条件之间存在相关性，并利用兰姆波传播参数对非理想接触条件进行了数值计算和实验研究。结果发现，在设定的试验条件下预紧力每增加5MPa，信号传播速度就随之降低0.5 mm/ms。Stefano Carrino[12]等发现，在单搭接节点结构中，接触面质量问题可以造成特定频率下的超声导波信号能量衰减。

口盖密封依靠口盖-密封条-口框接触中密封条变形填补表面空隙，预紧力来自螺栓连接，因此，其密封质量与密封条质量和预紧力相关。本文针对口盖密封连接形式基于超声导波信号到达时间与能量特征提出密封质量评价因子与图像化显示方法，并将该方法应用于飞行器舱体密封性能检测，舱体淋雨密封质量检测实验验证了该方法的有效性，诊断结果与实际情况完全吻合。本研究提出的方法对口盖，舱门类结构密封类构建的密封状态监测技术具有实际应用价值。

1 基于导波信号特征的密封质量表征方法

导波在结构的传播过程分为3个阶段：激发、传播和接收。以压电晶片传感器收发导波为例，能量完成了电能-传感器动能-结构动能-传感器动能-电能的传递过程[13-15]。

首先，电压信号借助传感器的逆压电效应，将电信号转变为传感器的变形。在粘接层的耦合作用下，传感器应变传递到结构中，完成了超声导波的激发，根据剪力滞效应的描述，结构中剪应力分布为：

(1)

以S0模态导波为例，在结构中的应变εplate为：

(2)

式(2)中：Gplate为板的剪切模量；kS为对称(S0)模态导波数；DS(kS)、NS(kS)，分别为S0模态导波传递变量。

超声导波信号被激发传感器从电压形式转化为应变形式，然后以弹性波形式在结构中传播，最终，能量从以接收传感器应变转化为电压信号，通过分析电压信号可以对导波能量传播路径上的结构健康状况进行评价。式(1)和(2)描述了激发传感器将自身能量传递给结构的过程。

应变从传感器传递到板中，传播距离X之后，其能量按e-kX衰减：

(3)

根据文献研究结果[16-17]，口盖密封性能与密封条弹性、预紧力等因素相关。其中，密封条弹性影响结构阻尼导致导波能量衰减性能，最终变化影响导波信号能量(E)；而预紧力变化影响结构等效刚度导致结构作为导波的载体频散特性发生变化从而影响导波信号的到达时间(TOF)。

为了表征口盖周围不同位置的密封质量，在口盖与口框上布置传感器网络。利用激发传感器将超声导波能量引入口盖结构，能量通过口盖-密封条-口框传递到接收传感器位置，被转化为电信号，这个能量传递的过程被称为信号路径。每条信号路径的信号特征表征该激发——接收传感器连线上的密封质量。本文分别将路径的导波信号能量E与信号到达时间TOF对平均值的偏差作为衡量该路径受密封质量影响的评价因子，其计算方法如下所示。

(4)

式中：μE与μTOF分别为传感器网络中所有路径导波平均信号能量与到达时间；E(i)与TOF(i)分别为传感器网络中第i条路径的导波信号能量与信号到达时间。

为了实现信号路径对密封区域的全覆盖，本研究针对飞行器口盖结构形式设计两套分布式传感器阵列，并将其分别布置在口盖与舱体上，以口框上的对应传感器作为信号收发传感器。将前文提到的到达时间(TOF)、信号能量(E)的评价因子作为衡量路径上的口盖密封质量的参数。基于超声导波信号特征的密封质量表征方法流程如图1所示。

图1 基于超声导波的密封质量监测方法流程框图

完成网络收发信号之后，首先计算平均信号能量与到达时间，然后计算各路径的TOF与E评价因子，并将其归一化处理。根据研究经验，归一化评价因子大于0.2的路径既被认定为密封缺陷位置。

2 实验设计

为了验证本研究提出的超声导波技术对于大尺寸口盖密封质量检测的有效性，在口盖舱体实验件上进行了基于超声导波的口盖密封性检测实验。

试验试件为某型号飞行器舱体典型部件及其口盖。在口盖和舱体上分别布置传感器，其中沿着舱体轴向在口盖上布置10个传感器(编号为1#～10#)，其间隔为100 mm，在舱体周向左右对应位置各布置一对传感器(左侧标号为a#，右侧标号为b#)，在口框尾部顶点位置各布置两个接收传感器(标号为c#和d#)，口盖上的激发传感器与对应的口框接收传感器之间的距离为150 mm。压电传感器采用直径为8 mm，厚度为0.45 mm的压电陶瓷圆片传感器。口盖-舱体口框试件与分布式传感器网络如图2所示。

在安装传感器之前需要对试件表面进行打磨处理。按照设计位置，将传感器网络利用环氧树脂粘接剂与结构相耦合，再焊接信号传输线路，是传感器形成网络，每个传感器表面都用硅橡胶进行防水处理。

激励信号为经汉宁窗调制的5周期正弦信号，其中心频率为300 kHz，在这个频率下，S0模态导波信号被抑制。信号采样频率为24 MHz，采样点数量为4 000点。螺栓的预紧力由扭力扳手控制。实验设备与试件如图3(b)所示。

图2 口盖密封性检测实验试件示意图

图3 基于超声导波的口盖密封性检测数据系统原理框图及实验设备与试件

将口盖大部分螺栓的基准预紧力设为10N，口盖10#传感器附近的3个螺栓的预紧力被设置为2 N，5#传感器附近的左侧螺栓的预紧力被设置为2 N；将3#传感器附近的左侧密封条切断制造接触不良损伤。

3 实验数据分析

利用口盖上的传感器阵列激发超声导波，口框上相对应位置的传感器接收信号。发现与平均水平相比，10#-10c#、10d#路径与5#-5b#路径的信号出现明显的到达时间缩短，3#-3b#路径的信号幅值及其能量更高。

以路径5#-5b#与相邻路径之间的信号对比结果为例说明预紧力对导波信号的影响。

如图4所示，与路径4#-4a#、路径6#-6a#相比，路径5#-5b#的A0模态超声导波到达时间更短，分析结果显示，其速度提高了2.16 mm/ms。通过对比路径3#-3b#与相邻路径之间的信号，阐述路径上密封条连续性对导波信号的影响。基于到达时间的质量评价因子为0.144。

图4 不同预紧力路径的导波信号曲线

如图5所示，与路径2#-2b#、路径4#-4b#相比，路径3#-3b#的超声导波信号幅值与能量更高，这是由于相同预紧力条件下，不受密封条阻尼衰减的信号路径可以更有效地传递能量。此处基于能量的评价因子为0.329。基于时间与能量的归一化评价因子如图6所示。

图5 不同密封条完整性路径的导波信号曲线

图6 归一化评价因子直方图

如图6所示，5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路径的基于到达时间的质量系数高于0.2；而3#-3b#路径的基于能量的质量系数高于0.2。说明5#-5b#、10#-10c#、10#-10c#路径附近出现螺栓松动，3#-3b#路径附近出现密封条不连续损伤，损伤识别结果与设置情况相吻合。随后将舱段试件推入淋雨室中进行水密性试验(见图7)。在淋雨实验中，降雨量设为4 mm/min，淋雨时间为40 min。淋雨试验结束后，打开口盖发现雨水已经从舱尾10#传感器附近渗入舱体。该位置3个螺栓松动，造成密封不良，3#、5#传感器位置也出现不同程度的渗水。

图7 淋雨试验

3个螺栓松动与密封条不连续所造成的渗水点与归一化评价因子超标结果吻合。证明了基于超声导波信号特征的密封质量检测方法的有效性。

4 结论

提出了一种基于超声导波信号特征的密封质量检测方法，该方法可以定位密封缺陷位置并区分密封缺陷类型。针对超声导波信号受密封性能的影响，基于信号到达时间(TOF)与能量(E)差异两种特征提出两种衡量密封质量的评价因子。这两种因子分别代表了预紧力缺失与密封条损伤两种密封缺陷。通过口盖淋雨水密性检测实验，验证了基于分布式压电传感器和超声导波的密封缺陷诊断技术在口盖密封性检测领域的实用性。

结果显示：

1) 螺栓松动位置的超声导波信号信号到达时间(TOF)更长。

2) 密封条不连续位置的信号能量更高。