航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術研究進展*

武湛君，渠曉溪，高東岳，2，劉科海，馮建民

（1.大連理工大學航空航天學院工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024；2.大連理工大學材料科學與工程學院，大連 116024；3.中航工業(yè)飛機強度研究所，西安710065）

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復合材料具有更高的比強度、比剛度并具有極強的可設計性，因此廣泛應用于航空航天領域[1-2]。美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心在《航空航天用先進復合材料發(fā)展報告》中指出，將復合材料應用于機翼機身可實現(xiàn)減重24.3%的目標[3]。先進復合材料在航空航天結構中的應用還可以實現(xiàn)抗腐蝕、減少連接結構等目標。復合材料的氣動剪裁技術可顯著提高結構效率[4]；整體成形技術可有效減少連接，提高結構可靠性，降低成本；復合材料耐腐蝕抗疲勞特點可降低維護成本。因此復合材料大量應用于航空航天結構中。部分民用飛機復合材料占總重量的比例如圖1[2]所示。

由于材料內(nèi)部存在復雜的非線性和分散性因素，復合材料結構的強度和破壞模式預測十分困難[5-6]。因此，針對航空航天復合材料結構的結構特點與應用環(huán)境發(fā)展健康監(jiān)測技術（Structural Health Monitoring,SHM）可以在結構運行中采集健康狀況信息，提高航空航天結構的安全性[7-11]。將結構健康監(jiān)測技術與無損檢測技術相結合有助于實現(xiàn)航空航天結構基于狀態(tài)維護，并最終為結構優(yōu)化設計迭代提供依據(jù)。

近年來，國內(nèi)外多家研究機構及企業(yè)進行了大量有關結構健康監(jiān)測的基礎研究[12-16]，并逐步將結構健康監(jiān)測技術應用于先進飛行器復合材料結構安全維護中[17-18]。NASA于1998年采用光纖光柵傳感器感知可重復使用運載器（RLV X-33）低溫貯箱的狀態(tài)（包括溫度和應變場）。隨后，NASA又開發(fā)了混合診斷工具BEAM，并將其應用于航天飛機主引擎異常檢測[19-21]。洛克希德·馬丁公司為獲得較高的結構可靠性及可維修性而在其新一代戰(zhàn)斗機F-35中安裝了先進預測及健康管理系統(tǒng)（Prognostics & Health Management，PHM），該系統(tǒng)與地面的聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)相結合形成了飛機集成健康管理系統(tǒng)[22]。在民用航空結構健康監(jiān)測領域，美國波音公司開展了大量探索性工作，構建了飛機結構健康監(jiān)測的基本體系結構，在多個機型上采用結構健康監(jiān)測技術對結構的微裂紋進行監(jiān)測。歐洲空客公司研究了結構健康監(jiān)測技術在A320、A340、A350、A380等型號客機上的實現(xiàn)，并針對飛機不同部件提出了相應的結構健康監(jiān)測需求[20]。由空客集團主持，歷時6年（2011～2016）的飛機智能化項目——（SARISTU，Smart Intelligent Aircraft Structures）中針對飛行器損傷診斷技術做了詳細的總結，包括：基于光纖的飛機結構變形監(jiān)測技術[23]，基于超聲導波的損傷監(jiān)測技術[24]、多損傷評估技術（主動式）[25]和撞擊監(jiān)測技術[26]（被動式）、基于機電阻抗的裂紋監(jiān)測技術[27]。英國的QinetiQ公司研發(fā)了新型的結構狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要是針對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)與民用飛機機翼設計和生產(chǎn)的集成問題與內(nèi)置式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)[28]。這些技術項目的研究經(jīng)驗顯示：在航空航天復合材料結構運行過程中，結構的運行狀態(tài)（形狀、溫度場、應變場等）和損傷情況（位置、嚴重程度、擴展趨勢等）是表征結構健康狀況的主要信息[29-30]。

針對航空航天復合材料結構健康監(jiān)測的關鍵問題，本文介紹了應用于航空航天復合材料結構的健康監(jiān)測技術，包括結構狀態(tài)監(jiān)測和損傷診斷方法，重點綜述了各項技術的研究現(xiàn)狀、關鍵問題及主要挑戰(zhàn)，最后討論了航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢。

圖1 民用飛機復合材料用量比例Fig.1 Consumption of the composite materials on civil aircraft

航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀

健康監(jiān)測技術在航空航天復合材料結構中的實施流程如下：

（1）在結構運行過程中，首先，通過狀態(tài)感知技術獲取結構的應變場、溫度場等狀態(tài)特征，建立結構的狀態(tài)模型；

（2）其次，利用損傷診斷技術識別結構可能存在的損傷特征，包括損傷/撞擊位置、大小和擴展趨勢等；

（3）再次，根據(jù)損傷診斷結果修改狀態(tài)模型，并再次迭代；

（4）在結構運行結束之后，根據(jù)狀態(tài)模型變化歷程和損傷特征實施對結構的無損檢測與基于狀態(tài)維修，并為結構優(yōu)化設計積累數(shù)據(jù)。

健康監(jiān)測技術結合無損檢測技術將大大增強航空航天結構的在役安全性、可靠性、耐久性，顯著提高結構的使用效益[31-32]。為實現(xiàn)這一目標，需要解決的關鍵問題包括：

（1）如何開發(fā)輕量化狀態(tài)感知方法以實現(xiàn)大面積結構全局狀態(tài)綜合感知；

（2）如何提出損傷識別與撞擊監(jiān)測方法以實現(xiàn)復雜結構內(nèi)部損傷在線診斷；

（3）如何針對復合材料連接結構發(fā)展微裂紋萌生/擴展監(jiān)測技術；

（4）如何設計適用于航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術的傳感器安裝方法。

從這些關鍵問題入手，本節(jié)綜述了幾種重要的結構健康監(jiān)測方法的研究進展、應用場合與使用局限，包括：全局狀態(tài)感知技術（光纖傳感監(jiān)測法）、全局損傷診斷技術（波傳播法）和局部損傷診斷方法（機電阻抗監(jiān)測法、真空比較監(jiān)測法、智能涂層法等），并討論了復合材料結構健康監(jiān)測傳感器的安裝方法。

1 全局狀態(tài)感知技術

結構運行狀態(tài)包括結構的形狀、運行姿態(tài)、溫度場、應變場、應力場等。在無損檢測技術中，常用點式應變片和溫度傳感器在停機狀態(tài)下檢測結構的應變場和溫度場。這種技術形式的成熟度較高，作為重要的應變場、溫度場重構手段廣泛應用于靜力加載、疲勞等試驗中。但是這種技術傳感器及其線纜用量較大，檢測速度較慢，無法適應實時數(shù)據(jù)采集的要求。為了監(jiān)測結構在運行狀態(tài)的實時變化趨勢，研究人員基于光纖傳感器開發(fā)了航空航天結構在線狀態(tài)感知技術。光纖傳感的原理是通過分析經(jīng)光纖傳感器調(diào)制后的光信號特征（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）的變化來獲取被測參數(shù)（應變、溫度、pH值等）。光纖傳感器具有靈敏，質(zhì)量輕、尺寸小、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕等優(yōu)點[33]。光纖傳感器在航空航天結構健康監(jiān)測中的具體應用包括：結構溫度場感知[34]、結構腐蝕監(jiān)測[35]、結構沖擊損傷監(jiān)測[36]等。根據(jù)有效測量段的分布情況，光纖傳感器分為準分布式和分布式兩種。由于加工條件的限制，目前應用在航空航天結構健康監(jiān)測領域的光纖傳感器多為準分布式光纖傳感器。準分布式光纖光柵傳感器具有測量精度高、事件位置精確定位等優(yōu)點，因此，在航空航天復合材料結構狀態(tài)感知研究中受到廣泛關注。

NASA從20世紀80年代開展利用應變信息反映飛機機翼形狀變化的應用研究，90年代中期開始引入光柵光纖傳感技術。21世紀初，NASA開始研究機翼形狀測量方法，研究人員在一根復合材料制成的空心管上布置了多條弱反射光纖光柵傳感器，并計算彎扭組合狀態(tài)下的撓度[37]。2014年，NASA在基于變形測量的飛機機翼變形主動控制方面取得了進展[38]。從2014年開始，NASA阿姆斯特朗飛行研究中心逐步開展機翼蒙皮變形測量方面的研究，將之前的理論與技術積累進一步發(fā)展到工程應用領域，結合最小二乘、三次樣條插值以及計算機數(shù)值模擬等方法，將局部的變形測量值進一步擴展到整個翼面，并重構整個翼面的變形狀態(tài)[39-40]。在多次往返航天飛行器項目中，基于布拉格光纖光柵原理的傳感器被認為是進行集成化健康監(jiān)測的最佳選擇[41]。DC-XA Flight 2光纖結構健康監(jiān)測系統(tǒng)如圖2[42]所示。

國內(nèi)關于光纖狀態(tài)監(jiān)測技術的研究大多集中在光柵光纖的原理和應用研究上，針對分布式光纖傳感器在航空航天領域內(nèi)應用的文獻較少。與光柵光纖相比，分布式光纖的優(yōu)點在于測量范圍大、安裝簡單、損耗小、易于布網(wǎng)、傳感單元成本相對較低，適合于大面積結構狀態(tài)實時感知[43]。

2014年，大連理工大學與西安飛機強度設計研究所共同開發(fā)了基于分布式光纖傳感器的結構狀態(tài)實時感知系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了受載狀態(tài)下復合材料翼梢小翼的應變場實時感知，其傳感器安裝形式及應變場感知結果如圖3所示。

圖2 DC- XA Flight 2 基于光纖的結構狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Optical fiber-based health monitoring system on DC- XA Flight 2

圖3 復合材料翼梢小翼受載條件下狀態(tài)感知Fig.3 Condition perception of a composite winglet under loading

如圖3（a）所示，翼梢小翼結構表面存在一些損傷，分布式光纖傳感器被布置在結構表面，安裝形式為表面粘貼；如圖3（b）所示，利用液壓加載裝置在翼梢小翼結構的背面施加均布載荷；如圖3（c）所示，應變分布形式對結構局部剛度的變化比較敏感，基于分布式光纖傳感器的應變狀態(tài)監(jiān)測結果準確地反映了翼梢小翼結構的健康狀況。該試驗驗證了基于分布式光纖傳感器的全局狀態(tài)感知技術在實際復合材料航空航天結構健康監(jiān)測中的有效性。

基于光纖傳感器的結構全局狀態(tài)感知技術適用于大面積結構（如機翼蒙皮、貯箱壁等）的表面應變場重構。其中光柵光纖傳感器在航空航天結構狀態(tài)監(jiān)測領域已有較高的技術成熟度和廣泛的應用，分布式光纖傳感器與光柵光纖傳感器相比具有測點多、分辨率高等優(yōu)勢，因此更適用于應變場重構等技術領域。

基于光纖傳感器的全局狀態(tài)感知技術的局限性在于傳感器對環(huán)境影響非常敏感，因此在實際應用中往往受到干擾較大。需要針對航空航天結構的應用環(huán)境進行光信號補償或環(huán)境因素解耦研究。

2 全局損傷診斷技術

復合材料在生產(chǎn)、運輸、加工過程中不可避免地存在一些微型缺陷，在使用過程中由于載荷、環(huán)境因素或撞擊事件的作用可能出現(xiàn)新的損傷。這些缺陷和損傷（如脫層、脫膠、界面裂紋、低速撞擊等）往往比較隱蔽，但是如果未被及時發(fā)現(xiàn)，這些微小的缺陷和損傷將會在載荷和環(huán)境的作用下迅速擴展導致結構突然失效。因此有必要研究復合材料結構全局損傷診斷技術。

超聲導波在板殼類結構中具有傳播距離遠、能量集中、便于激勵/收集等優(yōu)點。隨著復合材料結構在航空航天領域內(nèi)的廣泛應用，人們開始注重將超聲導波健康監(jiān)測技術應用于機翼蒙皮、連接結構、燃料貯箱等結構中?；诔晫Рǖ慕Y構健康監(jiān)測方法的原理如圖4所示。

圖4 基于超聲導波的結構健康監(jiān)測Fig.4 Guide wave-based structural health monitoring

如圖4所示，結構健康監(jiān)測技術分為主動式圖4（a）和被動式圖4（b）兩種。主動式結構健康監(jiān)測基本思想是首先采用激發(fā)傳感器將能量導入監(jiān)測結構，與此同時傳感器在結構上的其他位置接收結構響應信號，并對其進行分析，據(jù)此對結構的健康狀況進行監(jiān)測[44-46]。被動式結構健康監(jiān)測技術的基本思想是利用傳感器采集結構在外部作用（如撞擊）下發(fā)生的響應（如應變和應力波），采取特定的算法估計外部載荷及其發(fā)生位置，與漸進性損傷分析模型相配合就可以獲知結構的健康狀況[32,47]。被動結構健康監(jiān)測方法只需要信號接收裝置，無需激勵裝置，一般不能離線使用。

2.1 基于超聲導波的主動式損傷診斷技術

導波根據(jù)信號收發(fā)方式分為Pitch-Catch[48]和 Pulse-Echo[49]兩種模式。在Pitch-Catch模式中，導波信號由A#傳感器激發(fā)，由B#傳感器接收，之間信號路徑為A-B；在Pulse-Echo模式中，導波信號由A#傳感器激發(fā)，由A#傳感器自身接收，信號路徑為A-A。在信號路徑上的結構特性變化將會影響信號特征，在導波信號中提取這些特征以實現(xiàn)在全局范圍內(nèi)識別損傷的存在、確定損傷的位置并對損傷的嚴重程度進行定量化評估?；谶@種原理，目前國內(nèi)外研究人員提出了很多基于導波的損傷識別方法，包括：相控陣成像方法[50-53]、層析成像方法[52,54]、偏移成像方法[54]、延遲疊加成像[55]和基于損傷概率分布（RAPID）成像[53,56]等方法。

為了最大限度地發(fā)揮基于超聲導波的主動式技術的損傷診斷能力，需要進行傳感器網(wǎng)絡設計、信號激發(fā)頻率控制、損傷因子選擇、信號環(huán)境補償?shù)确矫娴难芯?。針對這些問題研究人員進行了大量的研究工作。

Gao等[57]研究了如何控制激發(fā)頻率以降低復合材料尾翼結構中超聲導波傳播的衰減。Kessler[58-59]闡述了信號激勵頻率選擇對損傷診斷精度的影響。大連理工大學結構健康監(jiān)測團隊與中國商飛北京民用飛機技術研究中心合作研究了多肋復合材料結構中不同損傷因子的損傷定位誤差以及信號激發(fā)頻率對損傷診斷精度的影響[60]，大型復合材料機身壁板演示驗證表明，該方法能夠有效識別大于2cm2的模擬附著物損傷，損傷定位誤差小于2cm。Yuan等基于信號峰值損傷指數(shù)對蜂窩夾芯和碳纖維復合材料中由能量沖擊引起的脫層損傷進行了監(jiān)測，試驗結果驗證了該方法的有效性[61]。航空航天結構常處于變溫度的工作環(huán)境中，溫度的變化對超聲導波的傳播特性影響很大，因此會影響基于超聲導波的損傷診斷方法的精度[61-62]。Wang等[63]利用構建信號空間的方式實現(xiàn)了對環(huán)境溫度影響的補償，試驗結果證明該補償方法提高了變溫環(huán)境中損傷診斷的精度。

損傷定量化評估技術是結構健康監(jiān)測技術領域內(nèi)的關鍵問題，關系到結構剩余壽命預測的準確性，該技術的順利實施有助于實現(xiàn)結構基于狀態(tài)維修。大連理工大學結構健康監(jiān)測團隊提出損傷二維形狀/尺寸識別方法，該方法借助損傷邊界可視為聲波信號激勵源的思想，將損傷邊界離散化為結構二維空間中的點，依次遍歷損傷周圍各激勵傳感器激發(fā)導波信號并與損傷作用，提取損傷全路徑（反射與折射路徑）散射信號的到達時間，獲得各點的二維位置估計，同時結合各點位置的二元正態(tài)分布概率以及凸包函數(shù)實現(xiàn)損傷形狀/尺寸的二維特征識別，研究結果如圖5 所示[64]（面積 6.5m2，粘貼 320個壓電傳感器，設置73個隨機損傷）。針對全尺寸復合材料壁板應用損傷二維形狀/尺寸識別方法，實現(xiàn)了多個損傷的準確識別。

基于對超聲導波主動式損傷診斷技術關鍵問題的研究，大連理工大學結構健康監(jiān)測團隊與中航工業(yè)北京航空制造工程研究所合作，應用該技術進行了ARJ-21全尺寸復合材料尾翼靜力加載健康監(jiān)測試驗，分析了復雜結構形式對超聲導波傳播特性的影響[58,64-65]，提出了基于超聲導波的復雜結構傳感器網(wǎng)絡布置方法[66]、變溫度下復合材料結構健康監(jiān)測方法[67]以及局部多損傷診斷方法[68]。復合材料全尺寸尾翼結構靜力加載損傷診斷試驗的試驗設置及結果如圖6所示[66]。

圖5 復合材料機身壁板的損傷定量化監(jiān)測Fig.5 Quantitatively monitoring for composite material fuselage damage

圖6 ARJ-21全尺寸復合材料尾翼靜力加載健康監(jiān)測試驗Fig.6 Health monitoring experiment of full-scale ARJ-21 composite tail under static loading

如圖6（a）所示，復合材料尾翼結構被裝夾在試驗架上，中央翼盒和翼面終端位置固定，在左右翼面上各分布著7個由液壓泵驅(qū)動的加載點，傳感器網(wǎng)絡布置在翼面加強筋之間，以監(jiān)測測靜力加載下的加強筋界面損傷；如圖6（b）所示，在120%載荷條件下加強筋界面出現(xiàn)了大量的健康狀態(tài)變化，上翼面的損傷情況比下翼面嚴重，這與理論分析結果一致。復合材料全尺寸尾翼結構靜力加載損傷診斷試驗結果驗證了超聲導波主動式損傷診斷技術在航空航天復合材料結構中應用的有效性和可行性。

2.2 基于超聲導波的被動式撞擊監(jiān)測技術

航空航天復合材料結構在使用過程中將不可避免地受到外部撞擊，使結構產(chǎn)生目不可檢的損傷，如內(nèi)部分層、基體開裂、纖維斷裂等，這將導致結構承載能力降低，強度和穩(wěn)定性退化，嚴重時會引起結構的突發(fā)性破壞。因此，實時監(jiān)測復合材料結構遭受的外部撞擊，評估撞擊位置、載荷大小與歷程，對于預測結構剩余壽命、保障結構安全性、實現(xiàn)基于狀態(tài)維修、降低結構維護費等方面具有重要意義。

實現(xiàn)撞擊損傷診斷技術的主要挑戰(zhàn)在于：（1）撞擊事件所產(chǎn)生的超聲導波頻帶較寬，呈現(xiàn)復雜的多模態(tài)特點；（2）航空航天結構內(nèi)部含有大量加強筋和翼肋等結構附件，對超聲導波的衰減、散射效果比較明顯。因此，通過簡單的信號分析難以準確識別撞擊位置和撞擊歷程。

斯坦福大學Chang教授[69]與南京航空航天大學的袁慎芳教授[70]分別根據(jù)波的到達時間，利用三角定位法來估計撞擊位置。為了應對超聲導波多模態(tài)特性對波達時間（TOF）定位方法精確度的影響，南卡羅來納州立大學Yuan教授等利用時間反轉(zhuǎn)法來確定平板結構的撞擊位置，試驗表明利用該方法可準確識別多個撞擊位置[71]。大連理工大學結構健康研究團隊利用改進的系統(tǒng)辨識方法[72]識別復合材料結構所受撞擊。同時利用基向量法[73]實現(xiàn)了對撞擊能量的監(jiān)測，研究結果表明利用先進的基向量法和系統(tǒng)辨識技術可以對復雜結構的撞擊事件實現(xiàn)位置識別和歷程監(jiān)測。

壓電晶片陶瓷換能器（PZT）如果受到結構波動的影響，會在壓電效應的作用下產(chǎn)生電壓信號，在受到電壓信號的激勵時又會因逆壓電效應而發(fā)生變形。因此，PZT可同時作為超聲導波信號的激勵/接收裝置，將多個PZT傳感器布置在結構關鍵位置組成傳感器網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對結構的全方位監(jiān)測。利用這套傳感器網(wǎng)絡既可以通過相互主動激勵/接收信號來收集結構健康信息實現(xiàn)主動式損傷診斷，又可以被動地接收裝機產(chǎn)生的結構響應，實現(xiàn)被動式撞擊識別。主動式損傷診斷方法與被動式撞擊識別方法可以利用一套傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)撞擊事件評估、撞擊損傷預報、損傷狀態(tài)診斷等一系列健康監(jiān)測目標。

基于分布式PZT傳感器網(wǎng)絡的超聲導波主/被動損傷識別方法具有效率高、可量化、既可實現(xiàn)主動損傷診斷又可以進行被動撞擊識別等優(yōu)點，適于作為航空航天復合材料結構的全局損傷診斷技術。其關鍵問題在于如何排除環(huán)境（溫度、載荷）對導波信號的干擾，以實現(xiàn)真實環(huán)境下的全局損傷診斷。

圖7 局部損傷診斷技術Fig.7 Local damage detection technology

3 局部損傷診斷技術

大型復合材料結構的一些關鍵環(huán)節(jié)往往承受循環(huán)載荷，結構本身還具有復雜的非線性耦合因素，使得這些局部結構的強度和破壞模式分析十分困難，因此，必須針對這些結構開發(fā)局部損傷診斷技術，以監(jiān)測連接松動、微裂紋萌生等損傷變化趨勢。適用于航空航天復合材料結構的局部損傷診斷技術包括：基于壓電傳感器機電阻抗的裂紋損傷診斷方法、真空比較監(jiān)測方法、智能涂層感知方法等。這些方法具有很強的實用性，可以為復合材料結構在役損傷診斷工作提供更充足的信息。這些方法的原理如圖 7[6，74-75]所示。

下文分別針對這些方法的原理、適用范圍與局限展開討論。

3.1 機電阻抗法

局部微小裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展會影響當?shù)氐臋C電阻抗，因此通過監(jiān)測局部阻抗的變化可以表征結構微小裂紋的萌生狀態(tài)。各國的科研人員對這些問題進行了許多研究[76-77]。Chaudhry等[78]最早將壓電阻抗法用于航空結構的損傷檢測；Castanien等[79]提出交叉耦合電導納概念，并利用統(tǒng)計方法分析耦合電導納的變化，識別了飛機機身的損傷，Winston等[80]利用壓電阻抗法成功地檢測噴氣機渦輪引擎的故障；Giurgiutiu等[81]用壓電阻抗法對一老化的航空結構進行了健康狀態(tài)評估；Lalande[82]和Koh[83]等分別研究了復合材料修復層和復合粘結智能結構的損傷識別情況。

3.2 真空比較監(jiān)測法

由于環(huán)境和載荷的共同作用，航空航天復合材料結構中會不可避免地出現(xiàn)微裂紋損傷，利用一般監(jiān)測方法很難在微裂紋產(chǎn)生初期對其進行監(jiān)測。真空比較監(jiān)測方法（CVM）利用粘貼在結構表面的傳感器薄膜測試結構表面真空度的變化，以表征結構表面微裂紋密度。針對該技術的實用性，美國民航局、波音、空客及美澳軍方等組成的研究小組進行了測試，試驗證明其耐久性達到使用標準，空客、波音等航空業(yè)巨頭都表現(xiàn)出對該技術的興趣[74-84]。

3.3 智能涂層法

西安交通大學劉馬寶教授提出了利用納米技術對飛機上廣泛使用的高性能防腐涂層進行物理改性，用特殊工藝制成具有“隨附損傷特性”的“智能涂層”傳感器，研發(fā)了以涂層為敏感末梢、電阻為損傷監(jiān)測參量、用計算機進行巡檢的“信息智能涂層監(jiān)測系統(tǒng)（ICMS）”。目前該技術已在中航工業(yè)相關研究所和空軍裝備研究院等單位進行了試驗和考核，結果表明該技術具有較高的可靠性[6,75]。

這幾種局部損傷診斷技術的共同特點是對微小裂紋非常敏感，因此可以檢測復合材料局部微裂、脫層紋萌生。其局限性在于傳感器的監(jiān)測范圍較小，因此不適于對大面積結構實行全局監(jiān)測。

4 結構健康監(jiān)測傳感器的安裝方式

為了收集結構本身信息，需要將健康監(jiān)測傳感器耦合在結構中。傳感器與結構的耦合方式包括：干耦合式、嵌入結構式和表面粘接式，如圖8[85]所示。

干耦合傳感器安裝方式常見于管道超聲導波損傷識別技術中[85]，該安裝方式往往需要復雜的緊固件，如圖8（a）所示，不利于航空航天結構減重，同時航空航天結構運行時本身時常伴有的隨機振動也給干耦合式傳感器的信號重復性帶來一定挑戰(zhàn)。因此，在這種傳感器安裝方式不常見于航空航天結構健康監(jiān)測技術中。

復合材料本身具有極強的可設計性，因此可以在復合材料生產(chǎn)制造的過程中將微傳感元件集成到結構當中去，在保證結構使用性能的前提下使其具有感知功能，這就是嵌入結構式傳感器安裝方法的基本思想，如圖8（b）所示[86-90]。但是，在現(xiàn)階段，為了保證對結構信息的收集效率，健康結構傳感器普遍尺寸較大，預埋傳感器的復合材料結構可能會損失一部分界面強度，并增加結構的材料性能分散性。以預埋光纖的復合材料層合板為例，科研人員研究了嵌入結構式傳感器安裝方法對結構本身性能的影響。丁慶東等[90]對預埋光纖和未預埋光纖的兩類層合板進行了力學試驗和數(shù)值模擬，試驗結果顯示：預埋光纖的復合材料層合板拉伸強度和彈性模量均會略有下降，90°鋪層預埋光纖的復合材料層合板中會形成一個樹脂富集區(qū)，對光纖周圍的材料分布有較大的影響。因此，現(xiàn)階段在航空航天復合材料結構中不適合使用嵌入結構式傳感器安裝方式。

表面粘貼式是一種常用的傳感器安裝方法。如圖8（c）所示，在該方法中，利用粘合劑將傳感器與結構粘接在一起，以實現(xiàn)傳感器位置固定和應變傳遞的傳感器安裝方法。在這種方法中，粘接劑起到至關重要的作用，需要保證較高的粘接強度、穩(wěn)定性和耐久性，因此，其老化問題就顯得極為重要。另外，由于一些分布式傳感器如主動式損傷診斷和被動式撞擊監(jiān)測中的壓電晶片換能器，需要線纜傳輸信號，過多的線纜將會影響結構減重，也增加了線路故障的風險。針對這些問題，研究人員提出利用薄膜將傳感器及其粘接劑包覆起來，利用印刷電路技術還可以將線纜集成在包覆薄膜中實現(xiàn)對傳感器、粘接劑和信號線路的全面保護。解決了粘接劑老化和信號線纜等技術問題之后，表面粘接式傳感器安裝方法將更加廣泛地應用于航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術之中。

圖8 結構健康監(jiān)測傳感器的安裝方式Fig.8 Installation modes of structural health monitoring sensors

5 小結

綜上所述，基于光纖傳感器的狀態(tài)感知技術和基于超聲導波的損傷診斷技術具有對結構影響小、監(jiān)測范圍大等優(yōu)點更適于應用于大尺寸結構全局狀態(tài)監(jiān)測和損傷診斷中；基于傳感器機電阻抗、結構表面真空度和智能涂層的損傷診斷技術對微小損傷更加敏感，但監(jiān)測范圍較小，更適于監(jiān)測結構局部區(qū)域可能出現(xiàn)的微裂紋損傷。

傳感器安裝方法方面，與干耦合式和嵌入結構式相比，表面粘接式傳感器安裝方法結合傳感器薄膜保護方法更適于作為航空航天復合材料結構健康監(jiān)測傳感器安裝方法。

航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術展望

經(jīng)過多年的發(fā)展，結構健康監(jiān)測技術在航空航天復合材料領域內(nèi)的應用越來越廣泛。許多健康監(jiān)測方法已經(jīng)通過了航空航天結構地面驗證階段。然而，航空航天結構往往需要承受巨大載荷，工作環(huán)境也比一般結構更加嚴酷，因此結構健康監(jiān)測技術在航空航天復合材料領域走向全面應用還需要在以下方面進一步改進。

（1）發(fā)展多物理場綜合監(jiān)測技術，實現(xiàn)結構健康狀況多維表征；

（2）研制微型傳感器，通過復合材料結構內(nèi)部集成傳感器元件，實現(xiàn)航空航天結構智能化；

（3）發(fā)展傳感器自診斷技術，借助傳感器網(wǎng)絡的自感知能力，提高航空航天結構中健康監(jiān)測傳感器的耐久性；

（4）研究結構健康監(jiān)測環(huán)境補償技術，以應對航空航天結構不斷變化的應用環(huán)境；

（5）建立極端環(huán)境和高載荷水平下的復合材料性能預測模型，結合漸進性損傷分析技術；

（6）發(fā)展航空航天復合材料結構剩余壽命預測技術。

通過對這些問題的改進和研究，將實現(xiàn)航空航天結構健康狀況全面感知，監(jiān)測技術全壽命應用，感知元件-結構一體化等研究目標，進一步推進結構健康監(jiān)測技術在航空航天領域的應用并最終達到航空航天結構智能化。

結束語

隨著先進復合材料在航空航天結構中的大量應用，航空航天復合材料結構的健康狀況實時監(jiān)測需求日益強烈。

本文綜述了航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術和方法進展，主要包括：全局狀態(tài)感知技術（光纖傳感監(jiān)測法）、全局損傷診斷技術（波傳播損傷診斷法）、局部損傷診斷方法（機電阻抗監(jiān)測法、真空比較監(jiān)測法、智能涂層法等）以及傳感器網(wǎng)絡在復合材料結構中的安裝方法等，分別從多學科交叉融合和工程應用角度討論了航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢，總結了各種技術的優(yōu)勢與應用場合，展望了航空航天復合材料結構健康監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢。

基于光纖傳感器的結構全局狀態(tài)感知技術適用于大面積結構的狀態(tài)重構。其技術局限性在于傳感器對環(huán)境影響非常敏感，因此在實際應用中往往受到干擾較大。需要針對航空航天結構的應用環(huán)境進行光信號補償或環(huán)境因素解耦研究。

基于分布式PZT傳感器網(wǎng)絡的超聲導波主/被動損傷識別方法具有效率高、可量化，既可實現(xiàn)主動損傷診斷又可以進行被動撞擊識別等優(yōu)點，適于作為航空航天復合材料結構的全局損傷診斷技術。其關鍵問題在于如何排除環(huán)境（溫度、載荷）對導波信號的干擾，以實現(xiàn)真實環(huán)境下的全局損傷診斷。

這幾種局部損傷診斷技術的共同特點是對微小裂紋非常敏感，因此可以檢測復合材料局部微裂、脫層紋萌生。其局限性在于傳感器的監(jiān)測范圍較小，因此不適于對大面積結構實行全局監(jiān)測。

在現(xiàn)階段，航空航天復合材料結構健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡適合采用表面粘貼結合包覆保護層的方法作為其安裝方式。

總之，在航空航天復合材料結構的設計、制造、運行、維修中應用結構健康監(jiān)測技術，有助提高結構的安全性與可維修性。針對航空航天復合材料結構的運行環(huán)境和結構特點發(fā)展結構健康監(jiān)測技術對于研發(fā)先進航空航天結構具有重要意義。解決了環(huán)境補償、傳感器壽命等關鍵問題之后該技術將會廣泛應用于航空航天復合材料結構健康監(jiān)測領域。

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