螺栓连接处孔边裂纹的远场涡流监测：理论建模与实验验证

《NDT & E International》：Remote field eddy current monitoring of hole-edge cracks in bolted joints: Theoretical modeling and experimental validation

远程场涡流检测（RFEC）技术结合柔性传感器与解析/有限元模型，系统研究螺栓连接处裂纹的生成机制及检测特性。实验表明3kHz激励下可监测至10mm深裂纹，信号幅值53μV、相位0.55°变化显著，实现裂纹位置、长度及深度的精准识别。研究验证了RFEC方法在复杂结构健康监测中的可行性与高灵敏度。

　　

侯俊|孙虎|青新林

厦门大学航空航天工程学院，中国福建省厦门市

摘要

远场涡流（RFEC）检测技术具有深入探测地下缺陷的能力，但其在受限多层几何结构（如螺栓连接处）的应用尚未得到充分探索。本研究提出了一种嵌入式RFEC方法，该方法结合了柔性涡流传感器的集成以及分析和有限元建模技术，以阐明螺栓连接处远场的形成机制。系统地分析了激励频率、材料属性和螺栓几何形状对RFEC耦合的影响。在铝制螺栓连接处的实验验证表明，在3 kHz的激励频率下，传感器能够检测到深度达10毫米的裂纹，对应的振幅和相位变化分别为53 μV和0.55°。通过传感器信号特征可以监测裂纹的位置、长度和深度。研究结果验证了嵌入式RFEC方法的可行性和高灵敏度，扩展了RFEC技术在复杂结构健康监测中的应用范围。

引言

螺栓连接是工业设备中最广泛使用的结构连接形式之一，因为它们具有较高的承载能力、易于组装和维护效率[1]。它们被广泛应用于航空航天、铁路运输和大型基础设施领域。然而，裂纹通常从螺栓孔边缘开始产生，这主要是由于孔周围的应力集中以及疲劳载荷、热机械循环和环境腐蚀的长期影响[2,3]。一旦裂纹扩展到临界长度，可能会导致严重的连接失效甚至灾难性的结构损坏。值得注意的是，螺栓孔已被确定为与重大飞机事故相关的第二大常见裂纹起始位置[4]。因此，可靠地检测和监测早期孔边裂纹已成为结构健康监测领域的一个关键问题。

目前，已有几种结构健康监测（SHM）技术被用于螺栓连接组件的监测。每种方法在检测螺栓孔周围不同类型的损伤方面都有独特的优势。Shi等人[5]提出了一种基于圆形压电传感器阵列的裂纹检测方法，实现了最大3.02毫米的定位误差。Yu等人[6]利用改进的EMI模型研究了粘合层厚度对螺栓松动检测的影响，强调了粘合质量在监测灵敏度中的作用。Sun等人[7]分析了界面摩擦与声发射（AE）信号之间的定量关系，应用声发射技术来监测螺栓预紧力和潜在的滑动情况。尽管这些技术取得了有希望的结果，但大多数方法在接近损伤部位时的可访问性有限，并且对复杂几何形状的适应性较差。这些限制限制了它们在实际应用中实现准确和可靠损伤量化的能力。

涡流检测（ECT）已成为监测螺栓结构损伤的重要方法，因为它对导电材料具有高灵敏度、响应速度快且无需耦合剂[8]。Rakow等人[9]开发了一种集成在套管中的柔性涡流传感器薄膜，用于实时监测分层金属接头处的疲劳裂纹，可以跟踪通孔边界处的裂纹扩展情况。Goldfine等人[10]提出了一种玫瑰花形状的涡流传感器，可以直接附着在螺栓孔附近的表面。当疲劳裂纹形成时，结构中的感应电流分布会发生变化，导致阻抗或感应电压的可测量变化。Fan等人[11]提出了一种具有双向激励布局的柔性涡流阵列传感器，用于定量监测螺栓连接处的孔边裂纹。疲劳裂纹扩展实验验证了传感器电压能够有效表征孔边裂纹的扩展情况。随后，提出了一种带有交互式感应线圈布局的柔性涡流传感器[12]，实验验证了裂纹监测的准确误差不超过0.1毫米。为了检测螺栓垫圈下的隐藏裂纹，Song等人[13]开发了一种基于聚酰亚胺增强复合薄膜的柔性涡流阵列传感器。这种传感器能够实现对难以到达区域的地下损伤的定量监测。Sun等人[14],[15],[16]设计了具有各种几何形状的柔性涡流传感器（FECS），包括一维矩形、二维十字形和五边形，用于监测螺栓孔边裂纹的扩展情况。他们的研究展示了柔性ECT在此应用中的潜在能力。尽管这些进展突显了FECS的潜力，但仍存在一些限制。螺栓周围的受限空间以及高激励频率下的趋肤效应将感应磁场限制在近表面区域，这限制了磁场向径向区域的有效穿透深度，从而降低了对径向裂纹的灵敏度。虽然降低激励频率可以增强场穿透能力并检测到更长的地下裂纹，但过低的频率可能会降低整体缺陷检测的灵敏度。然而，通过仔细的频率优化，FECS仍然是监测螺栓连接中径向裂纹生长的一个非常有前景的工具。

远场涡流（RFEC）检测技术是一种低频涡流检测技术，能够穿透金属管壁。与ECT不同，RFEC不受趋肤效应的限制，因此适用于检测导电材料内部的损伤[17],[18],[19]。自20世纪60年代首次应用于石油和天然气管道检测以来，RFEC逐渐扩展到其他关键结构，如金属板和螺栓连接。She等人[20]对探头进行了结构改进，减少了激励线圈和感应线圈之间的间距，并增强了接收到的信号强度。Xiao等人[21]优化了探头几何形状和激励参数，并利用零交叉时间特征区分管道内外表面的缺陷。Yang等人[22]应用RFEC检测多层铁磁板中的各种缺陷类型，包括裂纹宽度、深度和方向的差异，并实现了良好的线性和可靠性。Zeng等人[23]为碳纤维增强聚合物面板设计了RFEC探头，在检测纤维断裂方面表现出比传统涡流传感器更好的性能。这些研究证实了RFEC克服传统近场涡流技术局限性的潜力，特别是在深度或埋藏损伤情况下。最近，Song等人[24]开发了一种用于紧固件检测的RFEC阵列探头。他们的结果表明，缺陷长度和嵌入深度显著影响信号幅度，位置估计误差在2°以内。然而，由于探头放置在螺栓头部，最大可检测嵌入深度限制为6毫米。此外，RFEC探头的相对较大尺寸和较低的结构集成度仍然是其在狭小空间实际应用中的挑战。

本研究探讨了螺栓连接中的RFEC效应，以阐明其背后的机制，从而改进对螺栓孔周围径向裂纹的监测，展示了其在现场监测孔边裂纹方面的潜力。通过建立理论模型并通过仿真和实验进行验证，阐明了受限连接区域内远场的形成机制，并确定了关键影响因素。有限元分析探讨了激励频率、材料导电性和渗透性以及螺栓直径对远场及其与裂纹相互作用的影响。仿真和实验结果表明，RFEC能够可靠地识别和监测孔边沿的径向裂纹，具有高定位精度和裂纹长度分辨率，能够检测到小至10毫米的裂纹。该研究为将RFEC原理应用于复杂受限结构提供了新的见解，并扩展了其在结构健康监测方面的潜力。

本文的其余部分组织如下：第二节介绍了用于螺栓连接监测的柔性RFEC方法的理论基础和工作原理。第三节介绍了二维有限元模型，研究了关键参数对远场行为的影响，并分析了裂纹演变与信号特征之间的关系。第四节报告了实验结果并进行了深入讨论。第五节总结了研究并概述了未来的研究方向。

章节摘录

螺栓连接的RFEC理论建模

本研究主要关注从孔边界扩展的典型边缘裂纹，这是螺栓连接中最常见的损伤类型。如图1(a)所示，螺栓连接的孔边裂纹被模拟为一个位于板材孔边缘的二维矩形缺陷。裂纹的轴向深度h和径向长度l分别沿轴向(z)和径向(r)定义。圆柱坐标系以孔的交点为原点

有限元建模与验证

本研究使用COMSOL Multiphysics软件的AC/DC模块作为数值仿真平台，以验证RFEC原理在螺栓连接孔边损伤检测中的可行性。仿真模型的示意图如图2(a)所示。基于测量金属搭接板和涡流线圈的空间对称性，为了减少计算量并提高计算效率，模型从三维简化为二维

嵌入式RFEC传感器和实验设置

涡流传感器的设计必须确保与螺栓连接的完美组装，即线圈长度足以绕螺栓轴缠绕一圈，以保证关键监测区域的有效涡流覆盖。由于安装空间极其有限，RFEC效应产生的信号强度非常弱。因此，需要通过优化缠绕方法在受限空间内增加绕组圈数来增强信号接收

结论

本研究探讨了螺栓连接中的RFEC效应，并验证了其在现场监测孔边裂纹方面的可行性。通过理论建模和仿真分析，系统地阐明了空间受限螺栓结构中RFEC场的形成机制，揭示了关键影响因素。研究发现，中低激励频率有利于RFEC的产生和稳定传播。具有较高电导率的材料

CRediT作者贡献声明

侯俊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，形式分析。孙虎：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。青新林：监督，资源提供，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：12272331）、中国航空科学基金（项目编号：20200033068001）以及航空航天结构力学与控制国家重点实验室（南京航空航天大学）（项目编号：MCMS-E-0423G02）的支持。