“懸絲診脈”之飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

王軍朋

在電視劇中，經(jīng)?？吹接t(yī)為娘娘、公主們診病，不能直接望、聞、問、切，只能用絲線一端固定在病人的脈搏上，御醫(yī)通過絲線另一端的脈象診治病情，俗稱“懸絲診脈”。

古時(shí)的“懸絲診脈”不知是真是假，而今，確切的“懸絲診脈”已重現(xiàn)江湖。

在航空領(lǐng)域，為了解決“內(nèi)傷診斷，防止帶病上場”的問題，美軍在F-35研制任務(wù)中明確了故障預(yù)測與健康管理（PHM）的技術(shù)要求。隨后，世界各國相繼在不同型號(hào)飛機(jī)研制中也提出PHM的技術(shù)要求，一時(shí)間，PHM成為世界各國航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而結(jié)構(gòu)PHM作為飛機(jī)PHM的重要組成部分，其重要實(shí)施途徑正是傳說中的“懸絲診脈”，官名為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是指利用與結(jié)構(gòu)集成一起的傳感器或驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測的綜合技術(shù)。通過傳感器及網(wǎng)絡(luò)采集與結(jié)構(gòu)健康相關(guān)的參數(shù)信號(hào)，建立結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)特征參數(shù)與傳感器信號(hào)之間的關(guān)系模型，從而獲取結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、損傷等），再結(jié)合先進(jìn)的力學(xué)建模方法和結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限分析技術(shù)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命和損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可以使飛機(jī)結(jié)構(gòu)有效實(shí)施“視情維護(hù)”策略，對(duì)提高結(jié)構(gòu)效率和降低維護(hù)成本有巨大的應(yīng)用潛力。簡而言之，就是利用聲光電磁等物理原理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性（大健康）監(jiān)測與評(píng)估的統(tǒng)稱。

中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所作為我國在航空領(lǐng)域開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究較早的單位之一，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)“內(nèi)傷”早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷的工程需求，開展了理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及創(chuàng)新性的技術(shù)探索等科研工作。通過十余年大量研究與試驗(yàn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測架構(gòu)與策略、傳感器技術(shù)工程適用性、結(jié)構(gòu)載荷/損傷監(jiān)測方法、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測儀器及集成等方面取得顯著進(jìn)步，并結(jié)合強(qiáng)度所飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)平臺(tái)開展了多層級(jí)的技術(shù)驗(yàn)證和測試工作，目前部分研究成果已在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，“懸絲診脈”功力凸顯。下面就讓我們一起看看強(qiáng)度所“懸絲診脈”的過程及功效。

“懸絲診脈”之第一絲

——狀態(tài)監(jiān)測

主要采用光纖光柵傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度特征參量，再以應(yīng)變數(shù)據(jù)為輸入，反演結(jié)構(gòu)變形、載荷等實(shí)時(shí)狀態(tài)，可謂對(duì)飛機(jī)的第一診，確認(rèn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)是否有異常/變化。

強(qiáng)度所在基于光纖光柵傳感的狀態(tài)監(jiān)測方面，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器的工程應(yīng)用能力，建立了應(yīng)變—載荷關(guān)系測試方法和模型，建立了結(jié)構(gòu)應(yīng)變—變形模型，開發(fā)了應(yīng)變—載荷數(shù)據(jù)處理及載荷監(jiān)測軟件，已在地面試驗(yàn)中應(yīng)用，并在運(yùn)營飛機(jī)、地鐵中拓展應(yīng)用。

“懸絲診脈”之第二絲

——損傷監(jiān)測

主要采用導(dǎo)波和聲發(fā)射傳感技術(shù)，利用壓電效應(yīng)和聲發(fā)射現(xiàn)象，采集損傷特征信號(hào)，通過損傷特征信號(hào)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測，損傷監(jiān)測是對(duì)飛機(jī)第二診，可確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否有損傷、損傷位置和損傷大小。

強(qiáng)度所在損傷監(jiān)測方面，按照由元件監(jiān)測試驗(yàn)建立基本特征信號(hào)數(shù)據(jù)庫，通過細(xì)節(jié)件、組合件等逐級(jí)試驗(yàn)來考慮連接形式、部位、幾何尺寸和環(huán)境等因素對(duì)信號(hào)的影響，進(jìn)而得到實(shí)際可應(yīng)用的損傷特征數(shù)據(jù)庫的技術(shù)路線，開展了結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測研究。建立了基于導(dǎo)波和聲發(fā)射傳感技術(shù)的損傷監(jiān)測識(shí)別、定位及定量等相關(guān)算法判據(jù)，開發(fā)了自動(dòng)化分析軟件和兩代自主可控的導(dǎo)波損傷監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷診斷數(shù)據(jù)庫，已在地面試驗(yàn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷的早期預(yù)警。

強(qiáng)度所在健康評(píng)估方面，以無損檢測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為輸入，開展了監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康評(píng)估方法研究，包括評(píng)估結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和剩余壽命，國內(nèi)首次構(gòu)建了飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康診斷與壽命系統(tǒng)平臺(tái)，通過在地面試驗(yàn)中的不斷測試與優(yōu)化，目前已在地面試驗(yàn)應(yīng)用。同時(shí)，以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，正在開展基于健康監(jiān)測的飛機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)研究。