劉 濤，朱 遴，李志成，屈彩虹，王勝科

(1.海軍航空大學，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍海軍研究院，北京 100010)

1 引言

某型導彈發(fā)射車的調(diào)平裝置需要經(jīng)常承受車輛自身的大重力和發(fā)射作用力，在應力集中區(qū)域容易發(fā)生裂紋等內(nèi)部損傷，如不加以及時探測識別，對裝備的可靠性和壽命將會產(chǎn)生重大影響，甚至發(fā)生安全事故[1-3]。本文以車輛調(diào)平油缸為研究對象，通過結構承力分析、有限元建模仿真等方法，得到設備的結構應力云圖，確定結構損傷薄弱部位，作為探測實驗損傷設置的輸入，然后設計陣列式弱磁檢測設備，進行弱磁探測仿真實驗，結果表明，弱磁探測技術能夠有效檢測調(diào)平油缸的應力損傷缺陷。

2 調(diào)平油缸承力分析

調(diào)平裝置為某型導彈發(fā)射車提供穩(wěn)定的發(fā)射基準平臺，是其主要承力系統(tǒng)。調(diào)平裝置主要包括4個調(diào)平油缸，呈方形分布在車輛底盤兩側，并通過安裝座與底盤底梁的扭桿座相連。以車輛前部2個調(diào)平油缸為例，圖1為調(diào)平狀態(tài)平面受力圖。設左前油缸支腳受到地面支撐力為Fd1，油缸外筒受到的支撐力為F1，底盤底梁的重力為Fm，油缸外筒受到Fm施加的力矩為M1[4]。

圖1 調(diào)平狀態(tài)平面受力圖

經(jīng)受力分析可得：

Fd1+Fd2=Fm=G/2

(1)

F1=Fd1

(2)

M1=Fm×d1

(3)

σ1=Fd1/s

(4)

式(1)～(4)中：G=4×105N,為車輛重力；d1=1.5m,為活塞桿所受應力；S為活塞桿截面積，其直徑為120mm。得到：

M1=3×105N·m,σ1=8.846 4×104N/m2

3 有限元建模與仿真

利用Solidworks軟件建立調(diào)平裝置的三維模型，將該模型導入ANSYS有限元分析軟件中，并通過定義材料數(shù)據(jù)、修改優(yōu)化模型、工作平面轉(zhuǎn)化、網(wǎng)格劃分等步驟，得到ANSYS網(wǎng)格模型，如圖2所示[5-10]。

圖2 調(diào)平裝置有限元模型

根據(jù)受力分析結果，對調(diào)平起豎裝置施加約束、載荷及扭矩，包括頂部和底部的固定約束、油缸外筒的應力、支撐架的扭矩等，最后進行仿真求解，得到調(diào)平油缸和起豎耳座的受力云圖如圖3所示。

圖3 調(diào)平油缸內(nèi)外受力云圖

由圖3分析得到，調(diào)平裝置上半部分液壓缸受到的應力范圍為16.6～19.4 MPa，調(diào)平油缸的安裝座與調(diào)平油缸連接處的應力范圍為11.7～16.6 MPa，而液壓缸的內(nèi)部(被液壓油充滿的液壓缸內(nèi)壁)應力較為集中，最小的應力為16.6 MPa，最大的應力為31.1 MPa，為整個調(diào)平裝置的最大應力點，是結構損傷檢測的重點部位。

4 弱磁無損檢測技術

弱磁無損檢測技術是在天然地磁場的環(huán)境下，通過磁矢量傳感器對檢測對象表面或近表面進行掃查，根據(jù)不同方向上磁感應強度的變化來判斷檢測試樣中是否存在缺陷的一種無損檢測技術。相比較現(xiàn)有的超聲、射線、渦流等損傷檢測技術，弱磁無損檢測具有無需表面處理、對人體無損傷、設備輕便、原位探測等優(yōu)勢[11-13]。

4.1 基本原理

將被檢試件置于地磁場中，若材料的材質(zhì)是連續(xù)均勻的鐵磁性物質(zhì)或順磁性物質(zhì)，則磁感應線被約束在材料中；但當材料中存在不連續(xù)缺陷時，材料的組織狀態(tài)會使磁導率發(fā)生變化，在材料的不連續(xù)處缺陷會發(fā)生磁異常。若材料本身的相對磁導率大于材料中缺陷處的相對磁導率，則在缺陷處試件表面的磁感應強度變大，磁感應線表現(xiàn)為向上凸起，如圖4所示。相反，如果材料本身的相對磁導率小于材料中不連續(xù)缺陷處的相對磁導率，則磁感應線表現(xiàn)為向下凹進。弱磁無損檢測技術正是利用測磁感應器測量試件表面的磁感應強度，來判斷材料中是否存在缺陷[14-15]。

圖4 鐵磁性物質(zhì)磁異常特征圖

4.2 弱磁無損檢測設備結構組成

弱磁無損檢測儀器的基本系統(tǒng)組成如圖5所示。首先由測磁傳感器采集磁感應強度信號，并傳送給信號采集處理單元，處理單元將磁信號處理后，通過以太網(wǎng)與工控機通信，最后利用工控機的上位機控制軟件對數(shù)據(jù)進行處理，通過成像算法呈現(xiàn)缺陷圖像，以供檢測人員分析，判斷和處理[16]。

圖5 弱磁無損檢測儀器系統(tǒng)框圖

測磁傳感器采用雙磁芯串聯(lián)結構平行勵磁式磁通門傳感器。由于2個磁化線圈的勵磁方向相反，它們在檢測線圈中所產(chǎn)生的磁通相互抵消，只有被測磁場和周期性變化的磁芯磁導率引起檢測線圈的磁通變化。

4.3 調(diào)平油缸弱磁傳感器采集裝置設計

弱磁探測技術需要將測磁傳感器在被測試件表面沿一固定方向移動。設計一個調(diào)平油缸陣列式弱磁測量裝置，如圖6所示，該裝置由5個測磁傳感器及滑道組成，2個相鄰滑道之間由阻尼鉸接相連，傳感器外側固定有移動手柄，檢測時整個裝置利用4個吸盤固定在調(diào)平油缸上。

圖6 陣列式弱磁測量裝置

該裝置的優(yōu)點在于：

1)傳感器移動具有良好的穩(wěn)定性和直線性，避免了以往手持式的不穩(wěn)定情況；

2)操作人員能夠同時操作5個移動手柄進行檢測，實現(xiàn)了各傳感器的檢測一致性；

3)傳感器陣列與調(diào)平油缸表面弧形相契合(如圖7所示)，保證各傳感器的探測方向垂直于試件表面；

圖7 測量裝置測試俯視圖

4)利用測試得到的5組磁感應強度曲線，能夠綜合分析得到內(nèi)部缺陷的基本形狀；

5)該裝置探測效率高，適應性強，能夠適用于不同尺寸的回轉(zhuǎn)型試件。

4.4 傳感器探測移動速度要求

設測磁傳感器的檢測頻率為 f，檢測錐面角為θ，傳感器與試件垂直距離為d，如圖8所示，得到軸向檢測范圍為：

圖8 傳感器探測速度示意圖

l=2·d·tan(θ/2)

(5)

根據(jù)檢測率P≥100%的要求，得到：

(6)

式(6)中，v為傳感器探測移動速度。

從而得到移動速度的限制條件為：

v≤2·d·tan(θ/2)·f

5 建模與仿真

5.1 建模

利用ANSYS的磁場分析程序MAXWELL，選用單元SOLID96，分析靜磁場，設置空氣的相對磁導率1，調(diào)平油缸材質(zhì)為45號鋼表面鍍鉻，定義其磁導率大小為100。對模型施加磁場大小相同的場強來模擬地磁場，設置地磁場強值為5×10-5T，磁標量為39.8 A/m。仿真得到調(diào)平油缸感應磁力線云圖如圖9所示[17-19]。

5.2 微小裂紋測量仿真

設置調(diào)平油缸內(nèi)部微小裂紋損傷大小為5 mm×2 mm×2 mm，位置為上半部分距離頂端20 cm處，距表面深度為10 mm，填充物質(zhì)為空氣。

利用弱磁探測傳感器對油缸上半部分從上向下進行檢測，提取經(jīng)過損傷路徑上的磁感應強度曲線如圖10所示。由圖10可以看出，在約200 mm處，磁感應強度曲線出現(xiàn)了向上突變，表明該處存在應力集中或裂紋缺陷，與設置相符。曲線向上突變，是由于損傷處磁導率很小，磁力線在油缸表面聚集，磁感應強度數(shù)值出現(xiàn)向上突變。

圖10 調(diào)平油缸表面磁感應強度曲線

5.3 狹長裂紋測量仿真

設置調(diào)平油缸內(nèi)部裂紋為橫向裂紋，大小為80 mm×4 mm×1 mm，裂紋位置為油缸上半部分距離頂端20 cm處，裂紋中心位置深度為10 mm，填充物質(zhì)為空氣。

利用陣列式弱磁測量裝置對油缸從上向下進行檢測。設相鄰傳感器的間距為20 mm，提取經(jīng)過損傷路徑上的磁感應強度曲線，組合得到磁感應強度曲線陣列，如圖11所示。從圖11中看出，5根在200 mm處均出現(xiàn)了明顯的向上突變，說明該位置有較長延伸的缺陷，長度不小于80 mm，與設置相吻合，證明了陣列式弱磁測量裝置檢測的有效性。圖11中缺陷兩端的磁感應強度突變量明顯大于缺陷中心位置，主要原因是缺陷兩端離油缸表面距離更近。

圖11 調(diào)平油缸表面磁感應強度曲線陣列

6 結論

通過對發(fā)射車調(diào)平裝置的受力和磁感應強度的有限元仿真實驗，獲到了調(diào)平油缸的應力分布、表面磁感應強度曲線，得到如下結論：

1)調(diào)平油缸所受應力大于支撐活塞桿和連接基座，且最大應力出現(xiàn)在液壓缸內(nèi)側；

2)利用弱磁損傷檢測技術探測設備表面的磁感應強度曲線，能夠有效確定內(nèi)部結構缺陷的位置；

3)利用陣列式弱磁測量裝置能夠獲取設備內(nèi)部缺陷的位置、形狀及長度。

弱磁損傷探測技術能夠及時檢測出裝設備內(nèi)部結構缺陷，預防重大安全事故，對保持裝備完好性具有顯著的軍事意義。