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飞机结构无损检测技术研究现状与发展趋势

1.无损检测(NDT)技术

无损检测(NDT)或无损评价(NDE)技术在飞机的全寿命过程中起

着极其重要的作用,它对保证飞行安全,延长飞机寿命都具有非常重要

的意义。飞机从各结构件的材料选择和比较到生产制造,以及在使用

过程中都需要无损检测技术来保证其整体性能符合要求,满足适航性

和安全性的要求。历史上许多重大飞行事故都往往同人们在无损检测

中的失误或(因技术水平不够而产生)漏检密切相关。随着用损伤容限

理论替代过去的安全寿命设计理论,无损检测技术在航空工业中的应

用观点也发生了根本性的变化,这就是无损检测技术应当对飞机的全

寿命负责,它不但应能检测出已经存在的缺陷,还应能对裂纹发展规律

进行预测,以保证损伤容限理论的正确实施。损伤容限理论认为任何

结构都存在缺陷,只要这些缺陷不超过某一容许尺寸,结构就是安全

的。通常认为损伤容限理论由三个特定内容组成,即①确定剩余强度

(允许损伤),即在规定失效安全载荷状态下所允许的最大损伤②了解

裂纹扩展规律,即损伤从很小尺寸(此时检出概率(POD)很低)发展到容

许尺寸所经历的时间间隔。③实施损伤检测,确定能够及时检出损伤

所用的方法和检测周期。容许的缺陷尺寸同材料和结构本身有关,它

一般由疲劳试验确定,并用来决定首次检测时间和检测间隔。对任何

无损检测技术的最基本也是最低要求是,能可靠地检出达到容许尺寸

的缺陷。可以说,损伤容限理论将飞机结构设计、飞机在使用过程中

的维护及无损检测融为一体。从表面上看,仅上面第三点才同NDT有

关,而实际上,这三条的每一部分都同NDT技术密切相关。需要强调的

是,在损伤容限理论指导下,对NDT技术的要求是,所有接近或达到容

许尺寸的缺陷都能,而且必须能被很可靠地(至少90%)检出,而能发现

裂纹这句话并不需要理解为能发现多小或最小尺寸的裂纹,相反,它应

被理解为以高可靠性检测出达到容许尺寸的缺陷。

传统观念采取的是在发现问题后进行修补的办法，要求在发现危

及安全的缺陷后立即进行修复。而新的观念是预测并管理，要求能对

可能发生的缺陷、故障进行预报,从而能在某一合适时间段内采取措

施。这样才能在保证飞行安全的前提下,保障飞机的适航性以取得最

大的经济效益。因此,在航空工业中,要求NDT技术能在飞机结构材料

选型、部件生产过程、飞机使用过程及飞机延寿中发挥作用。显然,

飞机从设计到交付使用,再到延寿,其不同阶段的任务和目标都不相同,

与之联系的NDT任务和目标也必然发生变化。

2.无损检测的常规方法及新技术

随着科技的不断进步,无损检测技术得到了很大的进展,目前形成

了五种常规的无损检测的方法,即超声检测(Ultrasonic)、射线检测

(Radiographic)、涡流检测(EddyCurrent)、磁粉检测(MagneticParticle)、

渗透检测(Penetrant)。

2.1超声检测

超声检测利用的是超声波在介质中传播的特点。当超声波在介质

中传播超声时,在不同性质的介面将发生反射、折射和复杂的波型转

换,使超声波被吸收和散射,检测、分析反射信号后透射信号即可实现

对缺陷的检测。超声检测具有很多优点:具有很强的穿透力,并且对于

很小的伤痕,也能够准确地检测出并进行定位,同时,配以一些自动扫

描装置及微处理器计算机的设备,这项技术的应用则更为完善和丰

富。但该技术对操作者有较高的要求,对于一个很大的检测,一次只能

检测很小的一部分。

2.2射线检测

射线的种类有很多,X射线、r射线等。选择什么样的射线取决于

待测物体材料的厚度。检测时,射线靠近试样,射线与物质的原子将发

生复杂的相互作用,导致透射射线强度衰减,而缺陷部位对射线的衰减

不同于无缺陷的部位,由胶片捕捉记录透射射线的强度。胶片经过处

理得到了图像,进行灵敏的实时监测,但射线对人体有害。因此操作者

除了必须懂得操作规程外,还应有有效的保护措施及警告信号。

2.3涡流检测

涡流检测有一定的局限性,仅能用于导体的电磁技术。涡流检测

是根据电磁感应原理,导电材料在变交磁场作用下将产生涡流,导电材

料的表面层和近表面层的缺陷会影响产生涡流的大小和分布。当电磁

线圈移到金属物的表面,涡流就导入试样中。这种由电流所建立起来

的磁场刚好与原磁场的方向相反。由于损伤的存在以及材料内部的缺

陷,涡流必将发生畸变,线圈的阻抗将因此而发生变化。通过仪器测量

阻抗的变化,进一步分析并研究