Studies on the Reliability of Crack Diagnosis by the Forced Oscillations Portraits Distortions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. One of the methods for the vibration diagnosis of fatigue cracks in the airframe metal elements is based on the analysis of the monitor objects forced oscillations portraits. The assessment of the reliability of this method in relation to real structures is an urgent task. Objective of the work: to assure the reliability of cracks detecting in metal structures by nonlinear distortions of oscillations portraits. Research technique. With the help of harmonic sources, forced oscillations of the diagnosed structure are created and recorded by acceleration sensors. Initially, the acceleration sensors are placed with condensation in the most loaded areas, which are determined by the calculations results or in vibration tests. Then, the sensors positions can be shifted to the defect locations. The signal of each sensor is represented as an oscillations portrait, the vertical scanning of which is proportional to this signal, and the horizontal one – to the first harmonic of the signal, phase shifted by π/2. Such an oscillation portrait is a circle for a linear dynamic system. The fatigue crack initiation is accompanied by nonlinear distortions of the oscillation portraits because of the collision of its edges and dry friction at the tips. For the numerical evaluation of distortions, the first harmonic is subtracted from the Fourier series for the oscillations portrait; the absolute maximum for the oscillation period is determined in the series remainder, the maximum value related to the first harmonic amplitude and is taken as the distortion parameter. Distributions of the oscillation portraits distortion parameter are built over the surface of the test object. Locations of cracks are determined from the locations of the distortions local maximums. At the same time, the amplitudes of the oscillations of the airframe and the methods of normalizing the distortion parameter changed, electrical interference in the test equipment systems are evaluated. Results and discussions. The reliability of the fatigue cracks detecting by distortions of the oscillations portraits are estimated by the example of the aircraft fuselage metal panel diagnosing. The influence of the panel vibrations amplitude, the method of normalization of the oscillation portraits distortions and the level of electrical interference in the excitation system on the effectiveness of crack diagnosis is established. A method for mathematical processing of distributions of the oscillations portraits distortion parameter, allowing to exclude the initial state of the test object from analysis, to track the dynamics of changes in its state and record the development of each defect separately, to eliminate the influence of the fastening system that can introduce nonlinearities in the test object oscillations is proposed to improve the reliability of defects diagnosis. The result of cracks detection in the aircraft wing ribs in the process of strength tests is presented.

About the authors

V. A. Berns

Email: v.berns@yandex.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, 1. Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation; 2. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, v.berns@yandex.ru

E. P. Zhukov

Email: Zh-EP@yandex.ru
Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation, Zh-EP@yandex.ru

P. A. Lakiza

Email: qinterfly@gmail.com
Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin, 21 Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russian Federation, qinterfly@gmail.com

E. A. Lysenko

Email: mla340@iss-reshetnev.ru
Ph.D. (Engineering), Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems, 52 Lenin str., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation, mla340@iss-reshetnev.ru

References

  1. Жуков Р.В. Обзор некоторых стандартов ISO/TC-108 в области диагностики машинного оборудования // Контроль. Диагностика. – 2004. – № 12. – С. 61–66.
  2. Неразрушающий контроль. Т. 7, кн. 2. Вибродиагностика: справочник / Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. – М.: Машиностроение, 2005. – 829 с. – ISBN 5-217-03298-7.
  3. Костюков В.Н., Науменко А.П. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин: учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – 360 с. – ISBN 978-5-8149-1101-8.
  4. Bachschmid N., Pennacchi P., Tanzi E. Cracked rotors: a survey on static and dynamic behaviour including modelling and diagnosis. – Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. – 408 p. – ISBN 978-3-642-01485-7.
  5. Tiwari R. Rotor systems: analysis and identification. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 1069 p. – ISBN 978-1-138-03628-4.
  6. Вибродиагностика авиационных конструкций. – М.: ГосНИИГА, 1986. – 95 с. – (Труды Государственного научно-исследовательского института гражданской авиации; вып. 256).
  7. Постнов В.А. Определение повреждений упругих систем путем математической обработки частотных спектров, полученных из эксперимента // Известия РАН. Механика твердого тела. – 2000. – № 6. – С. 155–160.
  8. Косицын А.В. Метод вибродиагностики дефектов упругих конструкций на основе анализа собственных форм колебаний // Приборы и методы измерений. – 2011. – № 2 (3). – С. 129–135.
  9. Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: a literature review: Technical report LA-13070-MS / S.W. Doebling, C.R. Farrar, M.B. Prime, D.W. Shevitz; Los Alamos National Laboratory. – Los Alamos, NM, 1996. – 132 p.
  10. Dilena M., Morassi А. Damage detection in discrete vibrating systems // Journal of Sound and Vibration. – 2006. – Vol. 289. – P. 830–850. – doi: 10.1016/j.jsv.2005.02.020.
  11. Perera R., Fang S.-E., Huerta С. Structural crack detection without updated baseline model by single and multiobjective optimization // Mechanical System and Signal Processing. – 2009. – Vol. 23, iss. 3. – P. 752–768. – doi: 10.1016/j.ymssp.2008.06.010.
  12. Barbieri N., Barbieri R. Study of damage in beams with different boundary conditions // International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. – 2013. – Vol. 7, N 6. – P. 399–405.
  13. Kessler S.S., Spearing M.S., Soutis C. Structural health monitoring in composite materials using Lamb wave methods // Smart Materials and Structures. – 2002. – Vol. 11. – P. 269–278. – doi: 10.1999/1307-6892/9351.
  14. Nonlinear acoustics for fatigue crack detection – experimental investigations of vibro-acoustic wave modulations / A. Klepka, W.J. Staszewski, R.B. Jenal, M. Szwedo, J. Iwaniec, T. Uhl // Structural Health Monitoring. – 2011. – Vol. 11, iss.  2. – P. 197–211. – doi: 10.1177/1475921711414236.
  15. Critical aspects of experimental damage detection methodologies using nonlinear vibro-ultrasonics / M. Dunna, A. Carcionea, P. Blanloeuilb, M. Veidta // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 188. – P. 133–140. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.04.466.
  16. Бовсуновский А.П., Матвеев В.В. Вибродиагностические параметры усталостной поврежденности упругих тел // Механічна втома металів. Праці 13-го Міжнародного колоквіуму (МВМ-2006), 25–28 вересня 2006 року. – Ternopil, 2006. – P. 212–218.
  17. Цыфанский С.Л., Бересневич В.И., Лушников Б.В. Нелинейная вибродиагностика машин и механизмов. – Рига: ; Рижский техн. ун-т, 2008. – 366 с. – ISBN 978-9984-32-194-3.
  18. Diana G., Bachmid N., Angel F. An on-line crack detection method for turbo generator rotors // Proceedings of International Conference on the Rotordynamics, JSME, September 14–17, 1986, Tokyo. – Tokyo, 1986. – P. 385–390.
  19. Контроль соосности установки отклоняемых поверхностей по результатам вибрационных испытаний / В.А. Бернс, А.П. Бобрышев, В.Л. Присекин, В.Ф. Самуйлов // Вестник Московского авиационного института. – 2008. – Т. 15, № 1. – С. 87–91.
  20. Способ контроля люфтов в механических проводках управления самолетов / В.А. Бернс, А.П. Бобрышев, В.Л. Присекин, А.И. Белоусов, В.Ф. Самуйлов // Полет. – 2007. – № 12. – С. 50–53.
  21. Al-Khazali H.A.H., Askari M.R. Geometrical and graphical representations analysis of Lissajous figures in rotor dynamic system // IOSR Journal of Engineering. – 2012. – Vol. 2 (5). – Р. 971–978.
  22. Опыт контроля дефектов летательных аппаратов по параметрам вибраций / В.А. Бернс, Е.А. Лысенко, А.В. Долгополов, Е.П. Жуков // Известия Самарского научного центра РАН. – 2016. – Т. 18, № 4. – С. 86–96.
  23. Диагностирование трещин в металлических панелях по нелинейным искажениям портретов колебаний / В.А. Бернс, Е.П. Жуков, В.В. Маленкова, Е.А. Лысенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 6–17. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-6-17.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».