基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究

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1、万方数据第42卷第3期2010年6月南京航空航天大学学报JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsV01．42No．3Jun．2010基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究杜金强何宇廷崔荣洪舒文军常飞(空军工程大学工程学院，西安，710038)摘要：钟对飞机金属结构裂纹实时监控的需求，提出了一种基于电位法原理的裂纹监测传感嚣的研究方案，并通过试验对方案的可行性进行了验证。试验表明，该传感器的设计方案是可行的；同时建立该传感器的有限元模型对其输出特性进行了仿真分析，得到了备

2、监测点之间电位差随裂纹扩展的变化特征以及裂纹长度与电位差之间的关系，为该传感嚣的进一步研究及应用提供了参考．关键词：传感器；裂纹监测；电位法；金属结构中图分类号：TP212V215．6文献标识码：A文章编号：1005—2615(20lo)03—0387—05CrackMonitoringSensorofMetallicStructuresBasedonElectricPotentialMethod眈Jinqiang，HeYuting，CuiRonghong，ShuWenjun，ChangFei(EngineeringCollege．Ai

3、rForceEngineeringUniversity，Xi’an。710038，China)Abstract：Tomonitorthecrackofmetallicstructuresinreal—time·adesignproposalofasensorispre—sentedbasedonelectricpotentialmethodanditsfeasibilityisdemonstratedbyanexperiment．Further—more，afiniteelementmodelofthesensorisbuilttoan

4、alyzeitsoutputproperties．Electricpotentialdif—ferencesbetweenmeasuringpoints，whilecrackspropagating，areobtainedbythesimulation．Andtherelationshipbetweenthecracklengthandthepotentialdifferenceisacquired．Resultsprovidearefer—enceforfurtherresearchandapplicationofthesensor．

5、Keywords：sensor；crackmonitoring；electricpotentialmethod；metallicstructure飞机结构的安全性和可靠性直接决定飞机的安全和可靠飞行。目前飞机结构的主承力件依然是金属件，即使是国际上最先进的F-22战斗机，其复合材料的用量也仅占飞机结构质量的24％[1】。显然在相当长的一段时期内，金属构件仍将作为飞机结构的主承力构件被广泛应用。疲劳失效是金属结构在使用过程中最基本和最主要的破坏模式，通常金属结构的疲劳裂纹是从结构表面萌生、扩展的，当裂纹扩展到一定长度时，将会引起飞机结构的

6、破坏或带来灾难性的事故。为了避免灾难性事故的发生，目前多采用周期性的维修方式，即运用无损探伤的方法，对机身、机翼、起落架等关键结构进行周期性的检修来保证安全。该方式对保障飞机的安全性和可靠性曾经作出了巨大的贡献，但是这种方式却存在一些固有的缺陷，如：检修间隔期内的安全难以保障，定期的维修工作降低了飞机的可用性，效／费特性较低等。相对于周期性维修方式而言，结构健康监控技术能够及时、准确地捕捉到结构的各类损伤，是一种具有诱人前景的全新理念。美国、英国和澳大利亚等发达国家均投人大量资源进行了研究，取得了大量成果，如光纤传感器监测系统、真空监测

7、系统、压电传基金项目：国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)(2009AA032103)资助项目。收稿日期：2009-10—13l修订日期：2010—03．19作者简介：杜金强，男，博士研究生，1984年2月生f何宇廷(联系人)，男，教授。E—mail：hyt666@tom．com．万方数据388南京航空航天大学学报第42卷感器以及声发射技术等[2．6]。然而飞机结构往往工作于较恶劣的载荷和环境条件下，这对传感器的耐久性、稳定性与结构相容性等提出了很高的要求，现有的结构健康系统很难做到长寿命、高可靠性和经济性[2】。直流电位法原理由J

8、ohnson于1974年提出，由于其系统结构简单、信号分析技术成熟，因此具有应用于飞机结构健康监控的巨大潜力。王亮等对应用直流电位法在疲劳试验中测定试样裂纹长度的技术进行了研究，但该方法基于金属试样在通电时