Page 109 - 无损检测2021年第八期

无损检测新技术发展与应用专题

DOI : 10.11973 / ws j c202108014

飞机关键部件结冰的超声导波探测

于全朋, 周世圆, 徐春广, 姚鹏娇, 胡晓丹, 赵明华

( 北京理工大学 先进加工技术国防重点学科实验室, 北京 100081 )

摘 要:提出了一种利用超声导波优选模态探测结冰的方法, 以冰 - 铝板双层结构为研究对象,
建立半解析有限元( SAFE ) 模型, 得到其导波频散曲线与波结构; 从频散曲线中选取若干个模态频率
点进行有限元仿真, 分析不同模态超声导波对结冰的敏感性, 并通过冰 - 铝板结构结冰探测试验进行

验证。结果表明, 敏感模态的超声导波能够探测出冰的存在, 可探测最小直径为20mm 的结冰区。

关键词:飞机结冰; 超声导波; 结冰探测试验; 有限元仿真

中图分类号: TG115.28 文献标志码: A 文章编号: 1000-6656 ( 2021 ) 08-0067-05

Ultrasonic g uidedwavedetectionoficin g onke y com p onentsofaircraft

,
,
YUQ uan p en g ZHOUShi y uan , XUChun g uan g YAOPen gj iao , HUXiaodan , ZHAO Min g hua

( Ke yLaborator yofFundamentalScienceforNationDefenseforAdvancedMachinin gTechnolo gy ,

Bei j in g InstituteofTechnolo gy , Bei j in g100081 , China )

Abstract : Anicin gdetection methodbasedonultrasonicg uidedwaveo p timization modeisp resented.Takin g

theice-aluminum p latedouble-la y erstructureastheresearchob j ect , thesemi-anal y ticalfiniteelement ( SAFE )

modelisestablished , andtheg uided wavedis p ersioncurveand wavestructureareobtained.Several modal

fre q uenc yp ointsareselectedfromthedis p ersioncurve , andthesensitivit yofdifferentmodalultrasonicg uided

wavestoicin gisanal y zedb ysimulation , whichisverifiedb ytheice-aluminum p latestructureicin gdetection

ex p eriment.Theresultsshowthattheultrasonicg uidedwavewithsensitivemodecandetecttheexistenceofice ,

andtheminimumiceareawithadiameterof20mmcanbedetected.

Ke ywords : aircrafticin g ; ultrasonicg uidedwave ; icin gdetectionex p eriment ; finiteelementsimulation
若飞机在飞行中遇到过冷水滴, 则机翼、 尾翼、 冰厚度。光纤式传感器是一种常见的光学式结冰传
螺旋桨、 发动机进气道、 挡风玻璃等部件会出现结冰 感器, 其根据光纤接收红外光的强弱程度来判断部
现象, 积冰会改变部件附近气体的流动特性 [ 1-2 ] , 影 件是否结冰。声学式传感器通常由磁致伸缩材料或
响飞机的气动和操纵性能, 降低飞机飞行时的可靠 压电陶瓷材料等敏感元件制作而成, 具有能耗低, 设
性 [ 3-4 ] , 严重时会造成机毁人亡的后果 [ 5 ] 。故准确探 计简单, 易于安装等优点 [ 7 ] 。积冰会改变声学传感
测飞机关键部件的结冰状态, 有效去除飞机积冰是 器激发超声导波的振动频率, 依据频率的变化可以
确保飞机安全飞行的必要措施。 判断部件是否存在积冰。研究表明, 利用超声导波
技术探测飞机结冰效果明显 [ 8 ] , 但因为超声导波具
目前用于结冰探测的传感器主要分为电学式、
光学式、 声学式等 [ 6 ] 。常见的电学式传感器有电容 有多模态特性, 所以准确合理地选择对积冰敏感的
式传感器, 其工作原理是根据电容值判断电极间的 超声导波模态是有效检测的关键。
介质, 区分出空气、 水、 冰等不同的介质, 并可检测结 文章以冰 - 铝板结构为研究对象, 采用半解析有
限元法分析超声导波在结冰铝板中的传播特性, 利
用有限元软件对冰 - 铝板结构进行多模态、 多频率点
收稿日期: 2020-10-27
仿真, 分析不同模态和不同频率点的超声导波对结
作者简介: 于全朋( 1988- ), 男, 博士研究生, 主要研究方向为超
声导波无损检测 冰状态的 敏 感 性, 并 对 冰 - 铝 板 结 构 进 行 结 冰 探 测
通信作者: 周世圆, reda p le@bit.edu.cn 试验。
7
6

2021 年 第 43 卷 第 8 期

无损检测