飛行器復(fù)合材料全壽命結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

卿新林，劉琦牮，張雨強(qiáng)，劉 曉

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建 廈門 361102)

由于比強(qiáng)度和比剛度高、材料力學(xué)性能可設(shè)計(jì)、易于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最理想材料[1].特別在航空航天領(lǐng)域，其優(yōu)異的性能不但可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高使用壽命，降低維護(hù)成本，同時(shí)也為增加民用飛機(jī)艙內(nèi)壓力和空氣濕度，改善艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)提供了可能[2].近年來(lái)，復(fù)合材料技術(shù)得到了快速發(fā)展，在飛行器上的用量大幅提升.

飛行器復(fù)合材料不僅要承受長(zhǎng)期而復(fù)雜的疲勞載荷和意外沖擊載荷的作用，而且還要承受溫度、濕度等嚴(yán)苛的外部環(huán)境因素的考驗(yàn)；這些因素不論是單獨(dú)還是同時(shí)作用，均可導(dǎo)致復(fù)合材料的性能發(fā)生變化或被破壞.然而由于復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所受載荷和使用環(huán)境的復(fù)雜性，使得復(fù)合材料的完整性與耐久性分析變得非常困難[3-4].因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行器復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)損傷與破壞，對(duì)避免造成突發(fā)性破壞與結(jié)構(gòu)失效具有重要意義.由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷模式具有不易被觀察與檢測(cè)的特點(diǎn)，盡管現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中可以發(fā)揮一定的作用，但其無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法檢測(cè)隱藏部位的損傷，且受人為因素影響較大.除此之外，對(duì)于大尺寸復(fù)合材料，如波音公司B787、空客公司A350的復(fù)合材料機(jī)翼壁板長(zhǎng)達(dá)十幾米甚至幾十米，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅檢測(cè)成本高昂，而且檢測(cè)速度和效率都難以滿足各方面的要求.如何對(duì)飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的潛在和實(shí)際損傷及已有損傷的擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并快速評(píng)價(jià)其對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)可靠性的影響，是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題.

以永久集成在復(fù)合材料表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)技術(shù)是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)[5-10].SHM技術(shù)通過(guò)在復(fù)合材料中內(nèi)置傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)獲取其結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及服役環(huán)境等信息，從而實(shí)時(shí)掌握其結(jié)構(gòu)的健康狀況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)可能發(fā)生的損傷和故障進(jìn)行預(yù)判，以便能及時(shí)采取措施，建立基于結(jié)構(gòu)實(shí)際健康狀況與性能的視情維護(hù)策略，從而提高飛行安全性并降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在SHM的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)以及工程應(yīng)用等方面開展了大量研究[11-15]，并逐步將SHM技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的安全維護(hù)中[16-19].

SHM技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、服役及維護(hù)的全壽命周期中都可以發(fā)揮重要的作用，如圖1所示[5].目前可用于復(fù)合材料SHM的傳感器包括光纖傳感器、壓電傳感器、電磁傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、納米傳感器等[20-24].對(duì)于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè), 光纖傳感器有較大的優(yōu)勢(shì)，可用于監(jiān)測(cè)溫度、應(yīng)變、氣動(dòng)壓力等多種參數(shù)[25].而壓電傳感器由于重量輕、體積小，可同時(shí)用于主動(dòng)和被動(dòng)傳感，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)中有明顯優(yōu)勢(shì)[26-27].目前在復(fù)合材料上集成了壓電傳感器，以Lamb波作為損傷信息傳遞媒介的在線SHM技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視，開展了大量工作，已開始應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、服役及維護(hù)的全壽命周期健康監(jiān)測(cè)[9-10,28-33].

本文針對(duì)飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、服役及維護(hù)的全壽命周期內(nèi)對(duì)SHM的需求，簡(jiǎn)要介紹SHM技術(shù)應(yīng)用于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)的主要挑戰(zhàn)及其解決方案，并闡述飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向.

1 多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)

集成在被監(jiān)測(cè)復(fù)合材料中的傳感器網(wǎng)絡(luò)是SHM的重要組成部分，如何在結(jié)構(gòu)中有機(jī)集成傳感器網(wǎng)絡(luò)是SHM首先要解決的問(wèn)題.斯坦福大學(xué)提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)智能層(SMART Layer)通過(guò)柔性印刷電路和層壓技術(shù)將傳感元器件嵌入到柔性介質(zhì)薄膜上，為在結(jié)構(gòu)上安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了方便、有效的手段[11,34-35].根據(jù)不同的要求，智能層可以有不同的結(jié)構(gòu)形式：除常用的壓電傳感器外，同時(shí)也可集成其他類型傳感器，如應(yīng)變、溫度與濕度傳感器等，圖1為典型的SMART Layer結(jié)構(gòu)[35-36].

圖1 SMART Layer示意圖[35-36]

SMART Layer既能安裝在現(xiàn)有復(fù)合材料的表面，如圖2(民用飛機(jī)A350內(nèi)表面實(shí)物圖)所示；SMART Layer又可以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型過(guò)程中(比如纏繞成型、樹脂傳遞模塑(RTM)成型)嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部[26-27]，如圖3所示.

圖2 SMART Layer粘貼安裝于現(xiàn)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面[5]

圖3 SMART Layer在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中被嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部[27]

由于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸通常較大、狀態(tài)性能參數(shù)多，需要大型多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷[37].為此，斯坦福大學(xué)Chang和廈門大學(xué)Qing等開發(fā)了一種基于聚合物的可擴(kuò)展柔性傳感“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)集成多種類型的高密度傳感器陣列[5,38-42].如圖4所示，借鑒納米和微電子集成電路設(shè)計(jì)工藝，將聚酰亞胺高聚物薄膜加工成可伸展的微線網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)在各個(gè)方向上的拉伸，可將網(wǎng)絡(luò)從微觀大小擴(kuò)展到宏觀尺度；通過(guò)在功能節(jié)點(diǎn)上放入多種類型的傳感器、激勵(lì)源、電子元件或其他功能材料，利用微線連接功能節(jié)點(diǎn)，即形成傳感器網(wǎng)絡(luò).類似于上述的SMART Layer，可擴(kuò)展多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)可以粘貼在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面或者埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中對(duì)其全壽命周期的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

圖4 集成溫度、應(yīng)變和壓電傳感器的可擴(kuò)展多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]

2 復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)測(cè)

復(fù)合材料的質(zhì)量及力學(xué)性能與其固化工藝和制造過(guò)程密切相關(guān).為了穩(wěn)定復(fù)合材料的產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，各國(guó)學(xué)者開展了大量基于先進(jìn)傳感技術(shù)的復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)控研究工作.樹脂基復(fù)合材料的制造與成型工藝方法多種多樣，各有所長(zhǎng).由于成本低、效率高、適用于制造復(fù)雜的三維大尺寸結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料液體模塑成型(LCM)工藝正在成為關(guān)注的焦點(diǎn)[43-45].本節(jié)主要介紹復(fù)合材料LCM固化過(guò)程在線監(jiān)測(cè)方法，這些方法同樣適用于復(fù)合材料其他成型過(guò)程的監(jiān)測(cè).

復(fù)合材料LCM固化過(guò)程主要監(jiān)測(cè)固化度、溫度、殘余應(yīng)力和流動(dòng)前沿4個(gè)物理量[24,46-47].目前復(fù)合材料LCM固化過(guò)程的監(jiān)測(cè)方法有很多，按其監(jiān)測(cè)原理可分為電、熱、光、聲4類，但每一種方法都只能監(jiān)測(cè)部分參數(shù)，具有一定的局限性，在使用時(shí)需要根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇評(píng)估.

2.1 電學(xué)方法

電學(xué)方法用于復(fù)合材料LCM固化監(jiān)測(cè)主要有阻抗(ER)、介電(DI)和時(shí)域反射(TDR)等方法[48-53].ER法可用于監(jiān)測(cè)樹脂流動(dòng)前沿[48]，能捕捉到快速注入時(shí)樹脂的流動(dòng)過(guò)程；此外，將傳感器嵌入預(yù)浸漬材料中，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻的變化能夠得到固化過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)變[49].DI法通過(guò)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境介電性質(zhì)的變化引起的電信號(hào)變化，可監(jiān)測(cè)復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中樹脂流動(dòng)的前沿位置，并可得到固化度、凝膠點(diǎn)、玻璃點(diǎn)等參數(shù)[50-53].TDR監(jiān)測(cè)利用固化過(guò)程中阻抗的不連續(xù)造成TDR信號(hào)的變化，同樣可監(jiān)測(cè)樹脂流動(dòng)前沿和固化度[54-55].電學(xué)方法是各種監(jiān)測(cè)方法中最簡(jiǎn)易直接的辦法，但是相較于其他方法，電學(xué)方法有著致命缺點(diǎn).如易受電磁場(chǎng)影響，幾乎難以用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中；盡管研制出了帶電磁屏蔽的傳感器，電學(xué)方法在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)中所表現(xiàn)出的精度仍待提高[56].

2.2 熱學(xué)方法

復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中的溫度監(jiān)測(cè)通常采用熱電偶(TC).除監(jiān)測(cè)溫度外，TC還可監(jiān)測(cè)一些固化特性，如固化度和樹脂流動(dòng)[57].除TC外，紅外熱成像(IR)法也可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中的樹脂流動(dòng)前沿與固化度[58-59].但I(xiàn)R法具有較大的局限性，只能用于開模或透明模具的工藝中，且易受環(huán)境因素干擾，僅能得到表面信息.總之，熱學(xué)方法多為輔助，需要和其他方法配合使用才能更加精確有效.

2.3 光學(xué)方法

光學(xué)方法主要通過(guò)分析經(jīng)光纖傳感器調(diào)制后的光信號(hào)特征(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料LCM固化監(jiān)測(cè).根據(jù)光信號(hào)調(diào)制方式，光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制和分布式等.強(qiáng)度調(diào)制型主要用來(lái)監(jiān)測(cè)固化度和樹脂流動(dòng)[60-61]；相位調(diào)制型主要用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化時(shí)內(nèi)部溫度和殘余應(yīng)力大小[62-64]；波長(zhǎng)調(diào)制型主要有光纖布拉格光柵(FBG)和長(zhǎng)周期光柵傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料主要固化工藝參數(shù)，包括原位監(jiān)測(cè)復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中的樹脂流動(dòng)前沿、固化度、應(yīng)變和溫度等[65-67].光纖的材料性能與增強(qiáng)纖維比較接近，嵌入復(fù)合材料內(nèi)部時(shí)對(duì)成品性能影響小，且光纖傳感具有高靈敏度、無(wú)電磁干擾的優(yōu)點(diǎn).

2.4 聲學(xué)方法

在復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中，當(dāng)基體材料發(fā)生相變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料彈性模量變化，因此彈性模量是反映固化狀態(tài)的重要參數(shù).超聲固化監(jiān)測(cè)利用超聲波速和材料密度與彈性模量的相互關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量超聲波的波速和衰減來(lái)獲取復(fù)合材料的固化信息[68-69].按照超聲傳感器的放置位置，將超聲監(jiān)測(cè)分為接觸式和非接觸式，2種方法均可使用脈沖回波和收發(fā)傳輸模式，都可用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化時(shí)的動(dòng)態(tài)機(jī)械性能和固化度[70-72].

因?yàn)閭鞑ゾ嚯x相對(duì)較長(zhǎng)，且對(duì)傳播路徑上的不連續(xù)情況(包括材料厚度上的任何區(qū)域)敏感，利用基于壓電傳感器的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)復(fù)合材料LCM固化過(guò)程具有很大的優(yōu)勢(shì)[28-29,73-75].廈門大學(xué)Qing等[28]提出的壓電傳感器“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了在復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中對(duì)樹脂流動(dòng)前沿和固化反應(yīng)進(jìn)程的有效監(jiān)測(cè).

壓電傳感器“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料LCM固化過(guò)程中樹脂三維流動(dòng)前沿的原理如圖5所示.對(duì)于具有3個(gè)可變截面的模具，分別安裝3層壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)樹脂在不同截面上的流動(dòng)前沿.傳感器及其傳感路徑分為3部分:1)下表面?zhèn)鞲衅鱏l1～Sl6，前11條傳感路徑；2)中部表面?zhèn)鞲衅鱏m1和Sm2，第12條傳感路徑；3)上表面?zhèn)鞲衅鱏h1和Sh2，第13條傳感路徑.樹脂三維流動(dòng)前沿的監(jiān)測(cè)過(guò)程：在注入樹脂前，采用一發(fā)一收模式從各傳感路徑采集Lamb波信號(hào)作為參考信號(hào)；在樹脂注入過(guò)程中，按一定的時(shí)間間隔采集各傳感路徑的Lamb波信號(hào)，當(dāng)樹脂流動(dòng)前沿經(jīng)過(guò)某特定傳感路徑時(shí)，Lamb波的能量會(huì)泄漏到樹脂中，導(dǎo)致Lamb波信號(hào)衰減，提取Lamb波的變化特征；當(dāng)樹脂到達(dá)腔體厚度改變點(diǎn)時(shí)，流動(dòng)將由二維向三維發(fā)展，相對(duì)應(yīng)截面上傳感路徑的Lamb波信號(hào)會(huì)繼續(xù)發(fā)生改變.然后將Lamb波的振幅等變化特征與理論計(jì)算或標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的曲線進(jìn)行對(duì)比，即可得到此時(shí)樹脂流動(dòng)前沿在對(duì)應(yīng)路徑中的位置，進(jìn)而得到當(dāng)前樹脂的流動(dòng)前沿.在樹脂填充完成后的固化過(guò)程中，Lamb波信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)樹脂的固化行為.

圖5 復(fù)合材料LCM三維樹脂流動(dòng)前沿超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)原理[28]

圖6(a)所示是復(fù)合材料LCM三維樹脂流動(dòng)前沿監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，4條曲線反應(yīng)了4條路徑上Lamb波信號(hào)的變化情況，Pn-m表示圖6(b)～(d)中第n號(hào)壓電傳感器和第m號(hào)壓電傳感器之間的傳感路徑.當(dāng)傳感路徑連續(xù)被樹脂覆蓋時(shí)，泄露到液體樹脂中的Lamb波越來(lái)越多.覆蓋路徑越長(zhǎng)，能量衰減越大，信號(hào)幅值越小.當(dāng)傳感路徑被完全覆蓋時(shí)，信號(hào)振幅趨于穩(wěn)定.由此可見，Lamb信號(hào)直達(dá)波的振幅變化可以表征樹脂的流動(dòng)前沿，同時(shí)通過(guò)對(duì)信號(hào)幅值變化的絕對(duì)值進(jìn)行積分和歸一化可以得到固化反應(yīng)進(jìn)展曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)樹脂固化過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

①～⑥為傳感器序號(hào).

復(fù)合材料固化成型過(guò)程監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是決定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵，復(fù)合材料制造業(yè)非常重視各種SHM技術(shù)在復(fù)合材料成型制造上的應(yīng)用.多種傳感技術(shù)的集成融合可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料固化工藝參數(shù)的全方位監(jiān)測(cè)，克服單一傳感技術(shù)的不足.同時(shí)隨著材料科學(xué)、制造工藝、微納電子以及信息科學(xué)等技術(shù)迅猛發(fā)展，集傳感、驅(qū)動(dòng)、通信和計(jì)算為一體的多功能傳感系統(tǒng)是今后發(fā)展的重點(diǎn)，這將為復(fù)合材料固化成型過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)控制優(yōu)化的有機(jī)結(jié)合提供契機(jī)，為復(fù)合材料智能制造提供技術(shù)支撐.

3 飛行器復(fù)合材料服役狀態(tài)的SHM

利用與飛行器復(fù)合材料集成一體的多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)合材料服役過(guò)程中全面監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，如應(yīng)變、溫度、氣動(dòng)壓力以及結(jié)構(gòu)損傷等，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的“自感知”、“自思考”、“自適應(yīng)”，是飛行器復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)[37].利用此概念設(shè)計(jì)和制造的未來(lái)飛行器復(fù)合材料可以克服現(xiàn)有損傷容限設(shè)計(jì)假設(shè)較大損傷存在于復(fù)合材料中的局限性，使飛行器結(jié)構(gòu)能在它的物理極限內(nèi)運(yùn)行，充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)異性能.

飛行器SHM系統(tǒng)的功能可以概括為：監(jiān)測(cè)飛行載荷和環(huán)境參數(shù)，例如速度、氣動(dòng)壓力等；感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)，例如應(yīng)變/應(yīng)力、溫度；監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷，包括脫粘、分層、裂紋等.

3.1 飛行器表面氣動(dòng)壓力的測(cè)量

飛行器的氣動(dòng)外形對(duì)飛行性能、氣動(dòng)噪聲、動(dòng)力響應(yīng)等起著決定性的作用，好的氣動(dòng)外形不僅能夠大大地提高飛行器的氣動(dòng)性能和飛行效率，而且對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有重要影響.飛行器表面氣動(dòng)壓力分布是飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，準(zhǔn)確、完整的氣動(dòng)壓力分布測(cè)量可以用于確定飛行器表面最小壓力點(diǎn)的位置、激波位置、氣流分離情況等，這對(duì)設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的氣動(dòng)外形具有重要意義[76-78].飛行器結(jié)構(gòu)表面氣動(dòng)壓力的測(cè)量方法主要有：測(cè)壓孔[79-80]、壓敏漆[81-82]、基于電信號(hào)或基于光信號(hào)的壓力傳感器等[83-84].但這些方法要么系統(tǒng)復(fù)雜、不易安裝，受溫度影響較大；要么只適用于風(fēng)洞內(nèi)實(shí)驗(yàn).質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、可適應(yīng)于復(fù)雜非平整表面且不影響飛行器氣動(dòng)特性的微型柔性傳感器是氣動(dòng)壓力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).通過(guò)將這類新型傳感器與飛行器復(fù)合材料集成，不但可實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料表面氣動(dòng)壓力的測(cè)量，而且有望實(shí)現(xiàn)飛行器復(fù)合材料全壽命周期內(nèi)氣動(dòng)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

廈門大學(xué)楊曉鋒等[85-89]分別從化學(xué)和物理兩個(gè)方面探索了基于雙電層電容器和界面極化效應(yīng)的柔性電容傳感器的傳感機(jī)理及傳感性能，圍繞傳感材料制備與分析、傳感原理模型、傳感器制備工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)壓力傳感特性等方面進(jìn)行了較為深入的研究.基于離子薄膜介電層的柔性電容傳感器通過(guò)引入雙電層電容器提高了傳感器的靈敏度[85-87]；發(fā)展了基于界面極化效應(yīng)的柔性電容傳感器設(shè)計(jì)方法，有效地提高了傳感器的靈敏度和耐久性[88]；同時(shí)提出了一種簡(jiǎn)單高效的表面微結(jié)構(gòu)制備工藝，用于制備基于表面微結(jié)構(gòu)介電層的高靈敏柔性電容傳感器[89-90].這些傳感器對(duì)氣動(dòng)壓力的變化較為敏感，能準(zhǔn)確測(cè)量出結(jié)構(gòu)表面的氣動(dòng)壓力大小和位置，為未來(lái)飛行器表面氣動(dòng)壓力的測(cè)量提供了更多的選擇.

3.2 飛行器復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

飛行器復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)間斷或者連續(xù)的監(jiān)測(cè)，獲取復(fù)合材料在服役過(guò)程中的應(yīng)變、溫度等信息，再利用基礎(chǔ)試驗(yàn)獲得的材料性能退化數(shù)據(jù)等來(lái)實(shí)現(xiàn).

3.2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

美國(guó)航空航天局(NASA)從20世紀(jì)90年代中期開始引入光纖光柵傳感技術(shù)，并于1998年采用光纖光柵傳感器感知可重復(fù)使用運(yùn)載器(X-33飛行試驗(yàn))低溫貯箱的狀態(tài)(包括溫度和應(yīng)變場(chǎng))[91-92].在21世紀(jì)初,美國(guó)NASA開始研究機(jī)翼形狀的測(cè)量方法,研究人員在一根復(fù)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(jì)算彎扭組合狀態(tài)下的撓度[93].從2014年開始,NASA阿姆斯特朗飛行研究中心逐步開展機(jī)翼蒙皮變形測(cè)量方面的研究,將之前的理論與技術(shù)積累進(jìn)一步發(fā)展到工程應(yīng)用領(lǐng)域,將局部的變形測(cè)量值進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)翼面,并重構(gòu)整個(gè)翼面的變形狀態(tài)[94-95].NASA在多次往返航天飛行器項(xiàng)目中,利用FBG傳感器監(jiān)測(cè)DC-XA Flight 2的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[96-97].到目前為止，F(xiàn)BG在飛行器結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面已有較高的技術(shù)成熟度和廣泛的應(yīng)用[98].

與光柵光纖傳感器相比，分布式光纖傳感器具有測(cè)點(diǎn)多、分辨率高等特點(diǎn),在應(yīng)變場(chǎng)重構(gòu)等技術(shù)領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì).但基于光纖傳感器的飛行器結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響比較敏感，在實(shí)際應(yīng)用中易受干擾，實(shí)際應(yīng)用中需針對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行光信號(hào)補(bǔ)償或環(huán)境因素解耦.

3.2.2 撞擊監(jiān)測(cè)

外界物體撞擊造成的目不可視的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷是飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全的最大隱患，因此撞擊監(jiān)測(cè)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方向.目前國(guó)內(nèi)外最常用的撞擊監(jiān)測(cè)方法是利用壓電傳感器接收撞擊所產(chǎn)生應(yīng)力波，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提取信號(hào)的波速、幅值、到達(dá)時(shí)間等特征用于撞擊載荷重構(gòu)與定位[99-100].

撞擊監(jiān)測(cè)算法一般有基于應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間、基于模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法等.基于應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間的撞擊監(jiān)測(cè)方法通過(guò)計(jì)算波達(dá)時(shí)間、波速和撞擊點(diǎn)與傳感器的距離，運(yùn)用三者的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)撞擊進(jìn)行定位[99-105].由于復(fù)合材料存在各向異性，應(yīng)力波在復(fù)合材料中的傳播存在嚴(yán)重的彌散現(xiàn)象，難以計(jì)算精確的波達(dá)時(shí)間，導(dǎo)致誤差較大.另外，基于波達(dá)時(shí)間的計(jì)算方法往往只能計(jì)算撞擊的位置，無(wú)法對(duì)撞擊載荷歷程進(jìn)行重構(gòu).在載荷重構(gòu)等方面主要依靠基于模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法.基于模型的方法通過(guò)建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中傳播的動(dòng)態(tài)特性[106-107]實(shí)現(xiàn)撞擊監(jiān)測(cè).但由于實(shí)際系統(tǒng)復(fù)雜且邊界條件未知，大多數(shù)在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的模型研究難以應(yīng)用于實(shí)際工程中，即使可以模擬撞擊響應(yīng)，也很難根據(jù)傳感器輸出信號(hào)重建撞擊載荷歷程.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法通過(guò)訓(xùn)練找到相互關(guān)聯(lián)的并行元素之間的關(guān)系，計(jì)算出確定輸入的特定輸出[108-110]，但基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的撞擊識(shí)別方法需要大量的輸入元素進(jìn)行訓(xùn)練，導(dǎo)致該方法在實(shí)際應(yīng)用中的適用性較差.

近年來(lái)新發(fā)展的系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)是一種在實(shí)際工程應(yīng)用中行之有效的撞擊監(jiān)測(cè)算法[111-113]，該方法既不需要建立復(fù)雜的物理模型，也不需要進(jìn)行大量先驗(yàn)訓(xùn)練，只需要進(jìn)行少量實(shí)驗(yàn)獲取輸入與輸出信號(hào)，通過(guò)分析輸入與輸出信號(hào)之間的關(guān)系建立可以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳遞函數(shù)，利用傳遞函數(shù)求逆的方法獲得輸入的撞擊載荷歷程，其撞擊監(jiān)測(cè)過(guò)程如圖7所示.值得一提的是，在傳統(tǒng)系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)中將整個(gè)系統(tǒng)視為線性系統(tǒng)，而實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)性質(zhì)并不完全一致，在標(biāo)定及插值過(guò)程中若使用線性方法將大大降低載荷重構(gòu)的精度需求，廈門大學(xué)李文卓[113]通過(guò)使用成本函數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算和非線性傳遞函數(shù)插值方法，無(wú)論是撞擊定位還是載荷重構(gòu)均得到了高精度的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的適用性.除此之外，一些新的撞擊監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)[114-116].

圖7 撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)流程示意圖[113]

3.3 飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)

飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的損傷監(jiān)測(cè)大致可以分為損傷位置未知的大面積范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)隨機(jī)損傷(如外界撞擊等)監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵部位的局部損傷監(jiān)測(cè).

3.3.1 大面積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)

超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中傳播距離長(zhǎng)且對(duì)復(fù)合材料脫粘、分層、裂紋等損傷敏感，因此超聲導(dǎo)波損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前大面積范圍內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)最有效的技術(shù)手段[5,10,14].超聲導(dǎo)波SHM技術(shù)通常利用壓電元件作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器，以超聲導(dǎo)波作為損傷信息傳遞媒介在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的損傷及其擴(kuò)展情況，其基本原理如圖8所示.

圖8 超聲導(dǎo)波SHM的基本原理

損傷診斷算法是超聲導(dǎo)波SHM的核心，現(xiàn)有的損傷監(jiān)測(cè)算法包括相控陣技術(shù)[117-118]、延遲疊加成像方法[119]、層析成像技術(shù)[120]、橢圓加權(quán)分布損傷成像[26,121-123]、時(shí)間反轉(zhuǎn)[124-125]等.然而由于飛行器復(fù)合材料的材料特性和構(gòu)造復(fù)雜性，比如材料各向異性、帶曲率結(jié)構(gòu)和加筋結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)波在這些結(jié)構(gòu)中的傳播非常復(fù)雜，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中很難獲得精確的波速，難以精準(zhǔn)布設(shè)傳感器，再加上環(huán)境噪聲影響，大多數(shù)方法的可靠性和有效性應(yīng)用于實(shí)際飛行中具有較大的挑戰(zhàn)性.橢圓加權(quán)分布成像技術(shù)由于提取的是和基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)比的散射信號(hào)，可以消除傳感器布設(shè)誤差、環(huán)境噪聲等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且不受頻散特征及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，越來(lái)越受到廣泛的重視.

基于多激勵(lì)-傳感路徑的橢圓加權(quán)分布損傷成像方法主要基于：激勵(lì)-傳感路徑上的信號(hào)變化與結(jié)構(gòu)的變化正相關(guān)，與損傷或缺陷離激勵(lì)-傳感路徑的距離負(fù)相關(guān).該方法本質(zhì)上屬于一種基于概率統(tǒng)計(jì)的損傷成像算法，通過(guò)加權(quán)分布函數(shù)將傳感器陣列中每條傳感路徑所校對(duì)的損傷因子值映射為缺陷在傳感陣列所包圍的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)上出現(xiàn)的概率值.該方法包含如下兩個(gè)計(jì)算步驟：1)計(jì)算傳感器陣列中每條傳感路徑上的損傷因子，2)根據(jù)損傷因子構(gòu)建損傷圖像.圖9所示是使用橢圓加權(quán)分布損傷成像法監(jiān)測(cè)復(fù)合材料火箭燃料罐撞擊損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，壓電傳感器智能層在復(fù)合材料火箭燃料罐的制造過(guò)程中嵌入其結(jié)構(gòu)內(nèi)部[26-27].

圖9 復(fù)合材料火箭燃料罐撞擊損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果[26]

3.3.2 關(guān)鍵部位的局部損傷監(jiān)測(cè)

在飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵部位不但承受循環(huán)載荷，結(jié)構(gòu)本身還具有復(fù)雜的非線性耦合因素(如螺栓連接結(jié)構(gòu))，損傷發(fā)生概率相對(duì)較高，必須針對(duì)這些結(jié)構(gòu)開發(fā)局部損傷診斷技術(shù).國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種基于新型傳感器技術(shù)的關(guān)鍵部位微小損傷監(jiān)測(cè)方法，包括基于比較真空監(jiān)測(cè)(CVM)傳感器、智能涂層監(jiān)測(cè)(ICM)傳感器、柔性渦流(FEC)傳感器、壓電傳感器以及聲發(fā)射(AE)傳感器等監(jiān)測(cè)方法.

1)CVM方法

CVM通過(guò)測(cè)量粘貼在結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞲衅髅芊鈿馇坏膲簭?qiáng)差變化,以表征結(jié)構(gòu)表面微裂紋密度.美國(guó)聯(lián)邦航空管理局、波音、空客及美澳軍方等組成的研究小組對(duì)CVM的適用性進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)證明其耐久性達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，波音、空客等航空業(yè)巨頭都表現(xiàn)出對(duì)該技術(shù)的興趣[21].

2)ICM方法

ICM傳感器本質(zhì)上是一種電阻性功能梯度材料，當(dāng)其涂層的幾何形狀及厚度確定后，其阻值隨涂層襯底裂紋變化而變化.當(dāng)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋時(shí)，涂布在結(jié)構(gòu)表面的ICM傳感器涂層襯底也會(huì)產(chǎn)生裂紋.因此，通過(guò)ICM傳感器電阻值的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)上的裂紋監(jiān)測(cè).ICM技術(shù)已在航空工業(yè)相關(guān)研究所和空軍裝備研究院等單位進(jìn)行了試驗(yàn)和考核[126].

3)FEC傳感器

本課題組[127-129]提出了基于內(nèi)置FEC傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種由一個(gè)激勵(lì)線圈和多個(gè)接收線圈組成的渦流陣列傳感薄膜與螺栓連接結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用于監(jiān)測(cè)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的完整性，如圖10所示.實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬表明該渦流陣列傳感薄膜能有效監(jiān)測(cè)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)沿孔邊軸向與徑向的損傷以及擠壓損傷[127].

4)機(jī)電阻抗法(EMI)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的局部微小損傷的產(chǎn)生和發(fā)展會(huì)影響其機(jī)電阻抗，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)粘貼在結(jié)構(gòu)上的壓電傳感器的阻抗變化可以表征結(jié)構(gòu)微小損傷狀態(tài).國(guó)內(nèi)外學(xué)者在應(yīng)用EMI監(jiān)測(cè)局部損傷方面開展了很多工作[130-136]，但這些機(jī)電阻抗監(jiān)測(cè)方法主要基于直接采集阻抗信號(hào)并計(jì)算其對(duì)應(yīng)損傷指標(biāo)的處理方式.

本課題組[137-138]圍繞基于壓電傳感器和機(jī)電阻抗理論模型的SHM方法進(jìn)行了較為深入的研究，提出了一種基于機(jī)電阻抗模型的損傷特征信號(hào)(DCMI)的提取方法,該方法能夠更有效地表征結(jié)構(gòu)損傷與信號(hào)特征之間的關(guān)系.同時(shí)，為了能夠直觀地顯示損傷定位結(jié)果，在經(jīng)典概率加權(quán)損傷成像(PDI)算法的基礎(chǔ)之上，提出了一種改進(jìn)概率加權(quán)損傷成像(MPDI)算法以及集成的EMI-DCMI-MPDI損傷成像方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些方法能夠明顯改進(jìn)損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果[139].

5)壓電傳感器超聲導(dǎo)波法

壓電傳感器超聲導(dǎo)波法是關(guān)鍵部位局部損傷監(jiān)測(cè)的一種最常用方法[5,14,16-18,140-141]，其監(jiān)測(cè)原理與3.3.1 節(jié)大面積范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法相同.相比于基于CVM傳感器、ICM傳感器、FEC傳感器的監(jiān)測(cè)方法，壓電傳感器超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法具有2個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1)可遠(yuǎn)離損傷區(qū)域監(jiān)測(cè)Lamb波傳播路徑上的損傷；2)可監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面的多種損傷形式，包括裂紋、分層、脫層、孔洞等.

損傷的定量化是關(guān)鍵部位局部損傷壓電傳感器超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部損傷擴(kuò)展的定量化監(jiān)測(cè)通常需要采用半經(jīng)驗(yàn)化方法來(lái)實(shí)現(xiàn).圖11為使用基于SMART Layer的超聲導(dǎo)波SHM技術(shù)對(duì)復(fù)合材料修補(bǔ)片下疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的一個(gè)例子.基于SMART Layer的主動(dòng)SHM系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)損傷在疲勞載荷下的擴(kuò)展，通過(guò)一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)化方法來(lái)量化損傷的大小，對(duì)損傷擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè).在這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)化的方法中，通過(guò)給出損傷指數(shù)曲線的幾個(gè)初始數(shù)據(jù)點(diǎn)(裂紋長(zhǎng)度)，來(lái)確定損傷指數(shù)與實(shí)際裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系[9,142].

6)非線性超聲導(dǎo)波早期損傷檢測(cè)

考慮到在沖擊載荷下，復(fù)合材料沖擊損傷初期階段會(huì)產(chǎn)生基體開裂、纖維斷裂，后期會(huì)演化為分層及斷裂失效.根據(jù)美國(guó)NASA的TM-2001-210844報(bào)告，沖擊損傷對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性和使用壽命構(gòu)成威脅，但是很難被檢測(cè)發(fā)現(xiàn).在這一背景下，本課題組開展了基于非線性超聲導(dǎo)波二次諧波[143]和非線性超聲導(dǎo)波混頻檢測(cè)技術(shù)[144]的復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)研究，對(duì)低速?zèng)_擊損傷導(dǎo)致的復(fù)合材料內(nèi)部微缺陷實(shí)現(xiàn)了有效的檢測(cè)和評(píng)價(jià).此外，還開展了利用線性和非線性超聲Lamb波對(duì)復(fù)合材料在熱疲勞和水侵入作用下的材料性能退化評(píng)價(jià)研究[145-146].

此外，SHM技術(shù)同樣可應(yīng)用于復(fù)合材料的維護(hù)修理中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面也開展了一些研究[18,30,147-148].

4 飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)展望

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)以及工程應(yīng)用等多方面都取得了重要進(jìn)展.少數(shù)用于感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法開始應(yīng)用于飛行器型號(hào)；一些監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)通過(guò)飛行器結(jié)構(gòu)地面驗(yàn)證，正處在飛行驗(yàn)證階段；大多數(shù)SHM技術(shù)，特別是能給飛行器維護(hù)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的SHM，還處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段.SHM技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于不僅要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有足夠高的可靠性和損傷檢測(cè)概率，而且要求對(duì)服役環(huán)境具有高耐受性，特別是在民用航空領(lǐng)域，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需滿足適航要求.

在航空航天領(lǐng)域，SHM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)[4,5,37]：傳感器向小型化、集成化、智能化的多場(chǎng)耦合傳感技術(shù)發(fā)展；監(jiān)測(cè)方法從線性向非線性、從低頻向高頻發(fā)展，數(shù)據(jù)處理方法向智能化發(fā)展，診斷結(jié)果從定性向定量發(fā)展；監(jiān)測(cè)過(guò)程向復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、服役到維護(hù)的全壽命周期發(fā)展.

特別值得強(qiáng)調(diào)的是，基于壓電傳感器的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法在復(fù)合材料SHM方面具有很大潛力，受到廣泛關(guān)注.但要實(shí)現(xiàn)其在飛行器型號(hào)上的廣泛應(yīng)用，需要重點(diǎn)解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：損傷定量化的有效性和環(huán)境補(bǔ)償技術(shù)的魯棒性.盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這些領(lǐng)域已開展了大量工作，但離實(shí)際型號(hào)應(yīng)用需求還有一些差距.毫無(wú)疑問(wèn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)將是航空航天領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向.從工程應(yīng)用的角度，飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)近期的發(fā)展方向主要包括：

1)提高一些應(yīng)用潛力大的SHM方法的技術(shù)成熟度，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室及模擬飛行條件下的驗(yàn)證到現(xiàn)實(shí)的飛行應(yīng)用.基于光纖傳感器、壓電傳感器、CVM傳感器等的SHM技術(shù)在一些特定飛行器結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的技術(shù)成熟度已經(jīng)接近6或7，正在進(jìn)行模擬飛行環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證或飛行驗(yàn)證.

2)從相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度等結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)測(cè)量到結(jié)構(gòu)損傷的直接監(jiān)測(cè).通過(guò)監(jiān)測(cè)飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變，再結(jié)合相關(guān)力學(xué)/物理模型與損傷準(zhǔn)則，理論上可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)損傷；但由于飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確度受到限制.

3)從只檢測(cè)事件是否發(fā)生和定位，到監(jiān)測(cè)定量化.損傷監(jiān)測(cè)定量化是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)視情維護(hù)的基礎(chǔ)，但由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性以及服役環(huán)境的影響，現(xiàn)有的一些損傷定量化診斷算法存在較大的局限性，亟需發(fā)展和完善先進(jìn)的損傷診斷算法.

4)從幾個(gè)傳感器對(duì)單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)參數(shù)的局部監(jiān)測(cè)到大型傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)全局多參數(shù)監(jiān)測(cè).在這里需要解決的主要挑戰(zhàn)包括：大型傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有機(jī)集成，不同傳感單元之間的協(xié)同工作，多源傳感信息的有效融合等.

5)從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、服役、維修等各環(huán)節(jié)中各自應(yīng)用，到使用同一傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命周期健康監(jiān)測(cè).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造、服役、維修等各環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)對(duì)象存在差異性，如何構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的多功能性是一個(gè)富有挑戰(zhàn)的問(wèn)題.

6)將SHM與預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).利用SHM的結(jié)果，通過(guò)對(duì)剩余強(qiáng)度與壽命預(yù)測(cè)模型中涉及的各種不確定性進(jìn)行協(xié)同分析以及對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命服役期內(nèi)高效可靠的剩余壽命預(yù)測(cè)及安全評(píng)估.

5 總 結(jié)

隨著先進(jìn)復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用，亟需發(fā)展先進(jìn)的傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)是確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)于提高飛行安全性、實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)視情維護(hù)、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本具有重要意義.

本文綜述了飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展，主要包括多功能傳感網(wǎng)絡(luò)(SMART Layer、可擴(kuò)展“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò))、復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)測(cè)(樹脂流動(dòng)前沿監(jiān)測(cè)、固化度監(jiān)測(cè)等)、復(fù)合材料服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)(飛行器表面氣動(dòng)壓力測(cè)量、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)).重點(diǎn)闡述了本課題組在多功能傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、復(fù)合材料LCM固化過(guò)程超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)、柔性傳感器的設(shè)計(jì)與制備、關(guān)鍵部位局部損傷監(jiān)測(cè)等方面的研究成果，同時(shí)展望了飛行器復(fù)合材料SHM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).

致謝：本文在撰寫過(guò)程中得到了廈門大學(xué)飛行器健康管理技術(shù)研究中心王奕首博士、李衛(wèi)彬博士、孫虎博士、朱健健博士、楊曉鋒博士以及曾現(xiàn)萍、顏佳佳、李文卓等多位研究生的幫助與支持，在此一并致謝！