PROBABILITY OF DETECTION FOR PULSED EDDY CURRENT INSPECTION OF SECOND LAYER CRACKS IN AIRCRAFT LAP-JOINT STRUCTURES

Abstract

A thesis completed by Uemura, Cole Omega, in partial fulfilment of the requirements for a Master of Science in Physics from the Royal Military College of Canada on this 24th day of January, 2018, on Probability of Detection for Pulsed Eddy Current Inspection of Second Layer Cracks in Aircraft Lap-Joint Structures, under the direction of Dr. Thomas Krause. Conventional eddy current testing is a non-destructive technique used extensively within the aerospace industry to detect surface and near surface defects in structures of aluminum aircraft components. Aging aircraft such as the CP-140 Aurora and CC-130 Hercules are susceptible to cyclic fatigue cracks at bolt hole locations in multi-layer aluminum lap-joint structures. Conventional bolt hole eddy current (BHEC) inspection techniques, however, require fastener removal to detect second layer cracks. A pulsed eddy current (PEC) technique has demonstrated the ability to detect second layer cracks without fastener removal. The probe design for this technique consists of a ferrite core surrounded by four pairs of differentially connected pick-up coils, which utilizes the ferrous fastener as a flux conduit, inducing eddy currents at greater depths within the material. The transient signal response is analyzed using modified principal components analysis (MPCA) to produce scores, which are then processed using cluster analysis. Since a large number of representative blank fastener signals are required to accurately assess the reliability of this inspection technique in the absence of in-service samples, a series of simulations was conducted using cluster analysis and the smallest half volume (SHV) analysis methodology. A probability of detection (POD) analysis of the PEC inspection technique is then performed, including the metric required, in the form of an 𝑎90/95 value, to assess its reliability for the detection of second layer cracks at ferrous fasteners in aircraft lap-joint structures. Based on both the measured and simulation results obtained in this thesis work, it is determined that an 𝑎90/95 value of 2.0 mm (0.08 inch) is associated with this PEC inspection technique. The average detection and false call rates obtained for the simulations are 93% and 11%, respectively, confirming a blind outlier detection capability. This research confirms an 𝑎90/95 value for PEC that approaches that for BHEC (0.05 inch), but with only up to 15% of the fasteners being removed, as opposed to removal of 100% of the fasteners for BHEC. The numerous advantages to the PEC inspection method are that 1) it does not require fastener removal, hence minimizing collateral damage on the surface structure, 2) reduces the cost associated with labour and human resources, and 3) shortens aircraft maintenance downtime. These results provide assurance that the PEC technique is capable of detecting second layer cracks in aircraft lap-joint structures with high confidence, reliability, and detectability.

Thèse complétée par Uemura, Cole Omega, pour l’obtention d’une maitrise en science en physique au collège militaire royal du Canada ce 24 janvier 2018 sur la probabilité de détection par une méthode de courants de Foucault pulsés de la seconde couche structurale d’un joint à recouvrement dans un engin aérien, sous la direction de Dr Thomas Krause. La méthode par évaluation non-destructive par courants de Foucault est largement répandue dans le domaine de l’industrie aérospatiale afin de déceler des défauts de la couche superficielle dans les composantes en aluminium d’un engin aérien. Les engins ayant plus d’années d’usure tels l’Aurora CP-140 et Hercules sont vulnérables aux fatigues cycliques près des trous de boulons dans le laminage en aluminium des joints à recouvrement. La méthode usuelle par courants de Foucault (MUCF) utilisées pour évaluer les trous des boulons nécessite le retrait des points d’attache. On a démontré que la méthode par courant de Foucault pulsée(CFP) pouvait déceler des fissures à la seconde couche sans avoir à enlever les points d’attache. La sonde de détection est un matériau de ferrite ayant quatre paires de bobines détectrices proche voisines qui sont branchées en mode différentiel. Ces bobines sont sensibles aux flux magnétiques induit dans les attaches fabriquées d’un matériau magnétique permanent au travers duquel un courant est induit. La réponse en régime transitoire est analysée par le truchement de l’analyse en composante principale modifiée(ACPM) qui nous donne un pointage et qui nous fournit ensuite une analyse de groupe. Puisque qu’un grand nombre de signaux sont nécessaires afin d’obtenir une évaluation fiable afin de mieux comparer avec des échantillons en service, une série de simulations fut dirigée pour estimer l’analyse de groupe ainsi qu’une analyse du plus petit demi-volume(PPDV). L’analyse de la vi probabilité de détection(POD) de la méthode par CFP fut ensuite menée en se basant sur un critère spécifié sous la forme de a90/95, qui permet d’évaluer la fiabilité d’une détection de fissure à la seconde couche d’une attache en ferrite dans un joint à recouvrement d’un engin. En se basant sur les résultats et simulations obtenues dans notre étude, il est recommandé qu’une valeur de a90/95 égale à 2.0 mm (0.08 pouce) soit associée à cette méthode par CFP. Les taux moyens de détection et d’erreur lors de nos simulations étaient de 93% et 11% respectivement, ce qui confirme une capacité nette de bien détecter. Dans ce mémoire, nous montrons que la valeur de a90/95 pour les CFP est proche de celle obtenue pour les MUCF (0.08 pouce). Ceci voudrait dire que seulement 15% des attaches devraient être enlevées au lieu de 100% pour l’évaluation par MUCF. L’avantage est que l’évaluation par CFP n’implique pas le retrait de tous les points d’attache et ainsi minimise les dommages à la surface d’une structure, réduit les coûts de main d’oeuvre et diminue le temps de l’entretien. Les résultats obtenus sont concluants et nous permettent d’affirmer que la méthode par CFP est très performante lors de l’évaluation de la seconde couche de défauts dans les joints à recouvrement en ce qui a trait à la confiance élevée de détection ainsi qu’à la fiabilité.