復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛機(jī)中的運(yùn)用

蔣平清

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，以及全球性信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷更新，在工程設(shè)計(jì)與工程的使用方面，復(fù)合材料的相關(guān)健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)性的跨越。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也就是SHM，在工程建設(shè)中的符合性材料的使用中應(yīng)用相當(dāng)之廣泛，這種技術(shù)的出現(xiàn)以及持續(xù)的更新，使得在相關(guān)工程建設(shè)中的智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)不再是虛幻，尤其是在飛機(jī)制造行業(yè)中的應(yīng)用，更是越來(lái)越多。該篇文章首先從復(fù)合型材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，并且論述了當(dāng)前復(fù)合型材料健康檢測(cè)技術(shù)所面臨的技術(shù)性問(wèn)題。健康檢測(cè)技術(shù)使得飛機(jī)中所使用的復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)酌情的維修，并且在飛機(jī)的運(yùn)行使用周期內(nèi)能夠從某種程度上降低飛機(jī)的維修成本。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 健康檢測(cè)技術(shù) SHM 飛機(jī) 損傷檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0149-02

在飛機(jī)制造行業(yè)中，碳纖維復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用進(jìn)來(lái)，尤其是在波音系列的飛機(jī)制造中，類(lèi)似于碳纖維的復(fù)合型材料的應(yīng)用占整個(gè)飛機(jī)質(zhì)量的百分之十幾到50%左右不等；在A380中，類(lèi)似碳纖維的復(fù)合型材料也會(huì)被廣泛的應(yīng)用。復(fù)合型材料被廣泛的應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的最主要的原因就是由復(fù)合型材料通過(guò)加工制造而形成的結(jié)構(gòu)件在失效之前基本不會(huì)發(fā)生任何變形，至于復(fù)合型材料的構(gòu)建內(nèi)部所發(fā)生的變化不能通過(guò)敲打或者是目測(cè)來(lái)進(jìn)行判斷，經(jīng)過(guò)監(jiān)管研究人員的不懈努力，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被研發(fā)并且應(yīng)用在復(fù)合型結(jié)構(gòu)件的損傷檢測(cè)中，這種檢測(cè)技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)時(shí)在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHMS），并且得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

當(dāng)前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛機(jī)的地面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞試驗(yàn)以及裝機(jī)后的離線測(cè)試中被應(yīng)用并得到一些較好的效果。在2014年左右，空客公司以及波音公司這世界上馳名的飛機(jī)制造公司開(kāi)始計(jì)劃著進(jìn)行在役飛機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，并且計(jì)劃在2018年之前實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。我國(guó)從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，首先在“863”航空高科技計(jì)劃中投入大量資金，其主要的目的就是進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系健康性的自我診斷等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。目前，在我國(guó)的一些高校的研究基地，例如南京航空航天大學(xué)以及華中理工大學(xué)等以及取得了相當(dāng)可觀的效果，在自適應(yīng)復(fù)合材料、光纖結(jié)構(gòu)自診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷定位技術(shù)等都已經(jīng)研究出相當(dāng)重要的結(jié)論。由于我國(guó)的一些相關(guān)的技術(shù)水平相對(duì)于西方國(guó)家來(lái)說(shuō)還不夠醇熟，所以在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)方面只是進(jìn)行了初步的探析與試驗(yàn)的驗(yàn)證，還沒(méi)有太多的技術(shù)能力進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的觀念主要來(lái)源于仿生學(xué)理論，是經(jīng)過(guò)相關(guān)的專(zhuān)家研究之后將信息科學(xué)技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)相融合的結(jié)果，這項(xiàng)技術(shù)主要是將嵌入式的傳感器或者是表面黏貼式的傳感器作為系統(tǒng)的神經(jīng)傳輸結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳感器的相關(guān)感應(yīng)功能將一些結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷或者是損傷進(jìn)行感知或者是預(yù)報(bào)。根據(jù)最基本的層次上來(lái)說(shuō)，監(jiān)控是采用某一種技術(shù)手段針對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，以及系統(tǒng)的相關(guān)相應(yīng)診斷系統(tǒng)發(fā)生的某種形式的變化，針對(duì)機(jī)構(gòu)性的變化進(jìn)行針對(duì)，看變化是會(huì)否影響系統(tǒng)的正常工作，并且針對(duì)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)系統(tǒng)提出相關(guān)的建議。相對(duì)來(lái)說(shuō)，質(zhì)量較好并且相對(duì)理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件發(fā)生變化的初期就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且準(zhǔn)確判斷出相關(guān)問(wèn)題或者損傷的位置，以及問(wèn)題或者損傷的嚴(yán)重程度，并且針對(duì)結(jié)構(gòu)件損傷針對(duì)系統(tǒng)安全性的影響進(jìn)行分析，并且預(yù)測(cè)損傷結(jié)構(gòu)件的最長(zhǎng)使用周期。

從飛機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)展的角度以及相關(guān)的飛機(jī)技術(shù)研發(fā)的前景來(lái)考慮，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)橄嚓P(guān)新技術(shù)的研發(fā)以及飛機(jī)運(yùn)行的可靠性提供強(qiáng)有力的技術(shù)參數(shù)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，能夠在某種程度上避免飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的裕度設(shè)計(jì)，從而降低飛機(jī)制造的相關(guān)成本，減輕飛機(jī)機(jī)身的重量，保證飛機(jī)的可靠安全運(yùn)行。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)

目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法也有很多，在眾多的方法當(dāng)中，根據(jù)震動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、根據(jù)裂紋檢測(cè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及根據(jù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是最常見(jiàn)也是使用最廣泛的檢測(cè)系統(tǒng)。圖1是結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)的整體流程框圖，電源模塊產(chǎn)生激勵(lì)，然后經(jīng)過(guò)傳感器進(jìn)行相關(guān)信號(hào)感應(yīng)，進(jìn)行信號(hào)的采集，最后進(jìn)行損傷的識(shí)別并且進(jìn)行輸出。

根據(jù)震動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)震動(dòng)信號(hào)的儀器比如加速度傳感器，壓力電流轉(zhuǎn)換傳感器以及光纖傳感器等儀器對(duì)飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)上的實(shí)時(shí)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集并反饋給檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)所有部位的監(jiān)測(cè)，并對(duì)反饋的信號(hào)進(jìn)行分析來(lái)識(shí)別飛機(jī)結(jié)構(gòu)是否有損傷。常見(jiàn)的根據(jù)震動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)的主要依據(jù)是基于主動(dòng)和被動(dòng)應(yīng)力波之間的相互關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。除此之外還有好多方法也是根據(jù)震動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的，比如說(shuō)利用阻抗大小變化、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化信號(hào)和隨機(jī)遞減等方法也能對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?；诒粍?dòng)應(yīng)力波進(jìn)行檢測(cè)最常見(jiàn)的方法就是聲波法，他利用飛機(jī)表面受到應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化時(shí)所發(fā)出聲波發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，聲波的反饋信號(hào)也會(huì)及時(shí)的發(fā)生變化，對(duì)反饋回來(lái)的聲波信號(hào)進(jìn)行分析，就可以判斷飛機(jī)材料是否有損傷。利用主動(dòng)應(yīng)力波的檢測(cè)就相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)中要有完整的監(jiān)測(cè)體系，包括信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)的采集、分析、處理裝置，被測(cè)物體必須能良好的接收信號(hào)發(fā)射裝置所發(fā)出的信號(hào)源。但飛機(jī)的結(jié)構(gòu)巨大，產(chǎn)生的信號(hào)不好回收采集，所以這種方法的應(yīng)用并不廣泛。

根據(jù)裂紋檢測(cè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的就是比較真空檢測(cè)技術(shù)。它主要是先將飛機(jī)表面進(jìn)行覆蓋將其變成一個(gè)比較密閉的空間，然后對(duì)該空間進(jìn)行抽真空處理，如果某個(gè)地方的真空度發(fā)生了變化，則說(shuō)明此處的飛機(jī)表面有變化，可能存在裂紋。再利用光纖傳感器識(shí)別并判斷裂紋存在的位置，技術(shù)成熟的還可以檢測(cè)出裂紋的長(zhǎng)度。

然而根據(jù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法是最普通的，它的發(fā)展前景也不及前兩種存在著那么大的潛力。這種方法主要是利用壓力傳感器對(duì)飛機(jī)受到損傷時(shí)表面結(jié)構(gòu)的變化以及應(yīng)力的變化信號(hào)進(jìn)行收集，反饋給分新系統(tǒng)判斷損傷的位置。這種方法存在著好多弊端，比如壓力信號(hào)不宜采集而且信號(hào)不準(zhǔn)確存在較大的誤差，而且壓力傳感器自身也需要使用電能，系統(tǒng)的損耗比較大。再就是應(yīng)力系統(tǒng)十分龐大，線路復(fù)雜，對(duì)飛機(jī)內(nèi)部的布線有很大影響，而且也存在著巨大的安全隱患也不利于以后的維護(hù)。這種技術(shù)已經(jīng)逐漸在被光纖技術(shù)淘汰。

復(fù)合材料應(yīng)為其特殊的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成導(dǎo)致他的耐壓能力不強(qiáng)，不能抵抗較強(qiáng)的外力影響。這也極大的約束了復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用?，F(xiàn)有的復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用也往往不能發(fā)揮復(fù)合材料的最大極限，設(shè)計(jì)時(shí)往往只利用了1/3的使用能力，這是復(fù)合材料現(xiàn)在與金屬材料相比的最大弱勢(shì)。金屬材料的耐壓利用率往往在60%以上。所以復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用是十分必要的，他大大的提高了復(fù)合材料的使用效率，是復(fù)合材料與金屬材料相比質(zhì)量輕，性能好的特點(diǎn)得到更大的發(fā)揮。

2.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的探傷預(yù)測(cè)系統(tǒng)在復(fù)合型材料飛機(jī)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的探傷預(yù)測(cè)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，它主要包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷診斷、損傷預(yù)測(cè)以及剩余壽命判斷與預(yù)測(cè)三個(gè)模塊。該系統(tǒng)首先根據(jù)飛機(jī)制造時(shí)所采用材料的力學(xué)性能以及受重能力損壞邊界等條件利用自身設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行損傷的判斷，然后利用一系列的數(shù)學(xué)模型對(duì)材料的剩余壽命進(jìn)行計(jì)算。最后依據(jù)材料的損傷程度、材料的自身性能預(yù)測(cè)材料是否受損。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)必須建立探傷預(yù)測(cè)系統(tǒng)，由于這個(gè)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)難度高，以前總被工程師們忽視。但是該系統(tǒng)的存在能大大的提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能性，使其工程價(jià)值與市場(chǎng)價(jià)值大大提高。而且現(xiàn)在高智能的傳感器相繼出現(xiàn)，攻克這種技術(shù)難關(guān)已經(jīng)不是那么遙不可及的任務(wù)了。所以講結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在復(fù)合型材料的飛機(jī)中能夠準(zhǔn)確針對(duì)材料的損傷做出預(yù)期的判斷

2.3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的探傷診斷系統(tǒng)在復(fù)合型材料飛機(jī)中的應(yīng)用

要建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的探傷診斷系統(tǒng)首先就要建立一個(gè)精確度非常高的標(biāo)準(zhǔn)模型，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精確的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)首先利用一系列的傳感器將飛機(jī)表面的受力信號(hào)，位置信號(hào)等一系列采集好的信號(hào)傳送給信號(hào)分析網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行演算、處理，最后與標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行比較確定材料是否受損。在這里，基準(zhǔn)庫(kù)的準(zhǔn)確性非常重要，它直接決定了整個(gè)探傷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，也是約束系統(tǒng)的條件之一。但是隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，已經(jīng)有人嘗試著利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行診斷，這樣就不用依賴(lài)于單一的數(shù)據(jù)庫(kù)了，而且精確性也會(huì)大大提高。一個(gè)精確的探傷診斷系統(tǒng)是決定整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性好壞的重要依據(jù)，他也決定了整個(gè)系統(tǒng)是否能夠投入使用，所以必須建立一個(gè)精確度極高的探傷診斷系統(tǒng)。將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的探傷診斷技術(shù)應(yīng)用在復(fù)合型材料的飛機(jī)中能夠有效診斷出材料的損傷程度。

2.4 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技的設(shè)計(jì)與投放在飛機(jī)中的應(yīng)用

利用以上的原理，設(shè)計(jì)師們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了適合復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)，但是目前國(guó)際上對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)計(jì)之初出于對(duì)安全的考慮，對(duì)復(fù)合材料能載荷能力只設(shè)計(jì)在其極限能力的30%，我們也只能利用一系列的試航實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行審核。所以在投放過(guò)程中，我們先取得了適航的認(rèn)證，這個(gè)過(guò)程比較漫長(zhǎng)，因?yàn)槲覀儗?duì)復(fù)合材料的審核能力沒(méi)有像對(duì)金屬材料審核的那么規(guī)范，那么成熟。我們現(xiàn)有的審核標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)的保守。所以構(gòu)建一個(gè)適航的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)以后復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用起著積極的推進(jìn)作用。

2.5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在 復(fù)合材料飛機(jī)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在飛機(jī)上的應(yīng)用，使得復(fù)合材料飛機(jī)的穩(wěn)定性極大的提高了，也使得對(duì)復(fù)合材料的利用率可以嘗試提高，穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)的反映出飛機(jī)在行駛過(guò)程中存在的問(wèn)題，利用這些信號(hào)幫助設(shè)計(jì)師們完善對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)，這可以極大的減少飛機(jī)種金屬材料的使用，大大的減輕重量，節(jié)約能源。

2.6 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料飛機(jī)的維修方面應(yīng)用

因?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊，性能高，所以其使用成本也非常高，所以復(fù)合材料的維護(hù)也就起到了節(jié)約成本，提高使用效率的作用。目前，我們出于對(duì)復(fù)合材料換件費(fèi)用極高，長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)⒄`時(shí)間的角度考慮，往往采用膠接的方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行維修。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料飛機(jī)上的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)受損部位的預(yù)測(cè)，以及損壞部位的判斷，極大的幫助了工程師們提高在修理方面的效率。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM），在飛機(jī)行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，這種技術(shù)的出現(xiàn)以及持續(xù)的更新，使得在相關(guān)工程建設(shè)中的智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)不再是虛幻，尤其是在飛機(jī)制造行業(yè)中的應(yīng)用，更是越來(lái)越多。該文從當(dāng)前發(fā)展情況入手，闡述了具體的應(yīng)用方式，旨在提升應(yīng)用效率，使其更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 卿新林，王奕首，高麗敏，等.多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2011（5）：611-616.

[2] 朱新宇，盧俊文.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛機(jī)中的應(yīng)用[J].宇航材料工藝，2011（6）：23-27.

[3] 張博明，郭艷麗.基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（1）：33-42.