（北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

航空科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量新型材料和先進(jìn)工藝的應(yīng)用，使現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)外形、結(jié)構(gòu)形式具有越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提出了新的需求[1]。隨著飛行器各項(xiàng)性能的不斷提高，裝備服役時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，裝備延壽服役已經(jīng)成為一種普遍現(xiàn)象。在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中，飛行器結(jié)構(gòu)不僅要承受復(fù)雜的長(zhǎng)時(shí)間的疲勞載荷、意外沖擊載荷等作用，還要承受溫度、濕度、鹽度等嚴(yán)苛的外部環(huán)境考驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)表面或結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免會(huì)產(chǎn)生形式多樣的損傷。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)這些損傷，會(huì)降低飛行器使用壽命，增加飛行器維修費(fèi)用，甚至造成災(zāi)難性事故，因此迫切需要發(fā)展能夠?qū)︼w行器結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)監(jiān)測(cè)，并能快速、可靠評(píng)估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法[2]。

目前，軍用和民用飛行器主要使用傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括C-掃描、射線檢測(cè)、紅外熱像技術(shù)、剪切散斑干涉、染料滲透技術(shù)、電渦流監(jiān)測(cè)等[3]。這些無(wú)損檢測(cè)方法通常需要檢測(cè)人員手持設(shè)備或依賴于地面設(shè)備，定期對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行停機(jī)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器結(jié)構(gòu)損傷，縮短了飛行器的服役時(shí)間。無(wú)論是鋁合金材料還是復(fù)合材料，損傷常常位于難以觀察的隱蔽位置，復(fù)合材料更是無(wú)法從外觀判斷是否存在損傷。在使用無(wú)損檢測(cè)方法時(shí)通常需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸，在拆卸和檢測(cè)完后重新裝配過(guò)程中容易引入新的損傷[4]。大型運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)和民用飛機(jī)的幾何尺寸越來(lái)越大，使用傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法不僅價(jià)格昂貴，而且需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控（Structural Health Monitoring，SHM）技術(shù)通過(guò)永久分布在結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、連續(xù)的、長(zhǎng)期的評(píng)估，成為確保飛行器結(jié)構(gòu)安全、易于維修并滿足高性能飛行指標(biāo)的創(chuàng)新性技術(shù)[5]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行和維修等全壽命周期中都發(fā)揮著重大作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)存在的損傷，減少安全隱患，提高飛行器的運(yùn)行安全。能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中存在的損傷進(jìn)行定位，識(shí)別損傷種類，減少維修作業(yè)中的故障定位和故障隔離時(shí)間，提高飛行器系統(tǒng)的維修性。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)計(jì)，推動(dòng)由定時(shí)維修向視情維修的轉(zhuǎn)變，降低對(duì)保障資源的依賴和裝備的維護(hù)成本。因此，開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)研究對(duì)提高結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，保證飛行器的安全服役并取得最大的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[6]。

飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)在民用和軍事領(lǐng)域獲得廣泛重視，并進(jìn)入初步實(shí)用化階段。在民用領(lǐng)域，波音公司在777客機(jī)中就已經(jīng)開始部署了由Honeywell公司生產(chǎn)的航空器診斷與維護(hù)系統(tǒng)（Aircraft Diagnostic and Maintenance System，ADMS），成功將維護(hù)費(fèi)用降低了50%～80%。波音公司在對(duì)最新型號(hào)787客機(jī)進(jìn)行宣傳時(shí)，已經(jīng)將787客機(jī)內(nèi)建有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的全新開放式架構(gòu)列為其先進(jìn)技術(shù)特性之一來(lái)重點(diǎn)介紹。美國(guó)Delta航空公司和美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在波音737測(cè)試機(jī)上安裝了100個(gè)真空度比較傳感器和壓電Lamb波傳感器，并通過(guò)了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA認(rèn)證，這兩種傳感器將在美國(guó)商用飛機(jī)上使用。空客公司設(shè)計(jì)一套基于壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)的裂紋損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將裝備于最新的A380客機(jī)。在軍事領(lǐng)域，美國(guó)在陸軍直升機(jī)上部署了健康與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Health and Usage Monitoring Systems，HUMS），并用于評(píng)估直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼轉(zhuǎn)子的健康狀態(tài)，該系統(tǒng)將武器裝備的戰(zhàn)備完好性提高了10%[7]。美國(guó)軍方在F-35攻擊戰(zhàn)斗機(jī)上采用了先進(jìn)的預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)（Prognostics & Health Management，PHM），主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身沖擊損傷、機(jī)身裂紋以及粘貼層完整性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。NASA研制了基于診斷工具BEAM（JPL公司研制）和Livingstone系統(tǒng)（ARC公司研制）的健康監(jiān)控系統(tǒng)，用于評(píng)估運(yùn)載火箭X-34推進(jìn)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[9]。

針對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的關(guān)鍵問(wèn)題，本文介紹了應(yīng)用于飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)和壽命評(píng)估技術(shù)，重點(diǎn)綜述了各項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵問(wèn)題及面臨的主要挑戰(zhàn)，最后討論了面向飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的組成

飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感器，通過(guò)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)模態(tài)等），在此基礎(chǔ)上與先進(jìn)的信號(hào)信息處理方法和結(jié)構(gòu)力學(xué)建模方法相結(jié)合，提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，制定飛行器結(jié)構(gòu)維修決策。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)通常由損傷診斷單元、壽命預(yù)計(jì)單元和維修決策單元3部分組成，如圖1所示。

目前應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器主要包括：壓電傳感器、智能涂層傳感器、光纖光柵傳感器、加速度傳感器和應(yīng)變片等。其中壓電傳感器靈敏度高，容易組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)用作主動(dòng)與被動(dòng)監(jiān)測(cè)；智能涂層傳感器靈敏度高，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單；光纖光柵傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、抗腐蝕、質(zhì)量小等多方面優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的3種傳感器。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.1 Components of SHM system

飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)安全性和可靠性提供保障，同時(shí)可以降低結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)其服役壽命。本節(jié)針對(duì)幾種主要的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方法，綜述了其研究進(jìn)展、應(yīng)用場(chǎng)合及局限性，包括：基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的損傷診斷技術(shù)、基于超聲導(dǎo)波的全局損傷診斷技術(shù)、基于光纖傳感的結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知技術(shù)、局部敏感區(qū)域損傷診斷技術(shù)、多傳感器融合診斷技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康評(píng)估技術(shù)等。

1 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的損傷診斷技術(shù)

當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)，目前常用的方法有應(yīng)變模態(tài)法、振動(dòng)法和機(jī)電阻抗法。

應(yīng)變模態(tài)法始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，損傷處的剛度則會(huì)降低，應(yīng)變變化增大，以應(yīng)變模態(tài)為損傷因子，建立其與損傷之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)。該方法若要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全局損傷監(jiān)測(cè)，需要布貼傳感器的密度較大，不易于實(shí)施[10]。

振動(dòng)法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)量結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和響應(yīng)的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷有無(wú)的識(shí)別，并對(duì)損傷大小與位置進(jìn)行診斷。振動(dòng)法具有能夠大面積監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，且能夠監(jiān)測(cè)不易于布貼傳感器位置的損傷[11]。

機(jī)電阻抗法發(fā)展于20世紀(jì)90年代，通過(guò)測(cè)量壓電傳感器在環(huán)境激勵(lì)下的電阻抗，從中提取結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗，與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的阻抗信息對(duì)比分析實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè)。機(jī)電阻抗技術(shù)對(duì)早期損傷的敏感度較高，適用于初始損傷的檢測(cè)，但對(duì)損傷定位的精度較低[12]。

2 基于超聲導(dǎo)波的全局損傷診斷技術(shù)

基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)具有對(duì)微小損傷和初始損傷敏感、易于組成傳感器網(wǎng)絡(luò)、掃查面積大等多種優(yōu)勢(shì)，是集成了壓電傳感器，以Lamb波作為損傷信息傳遞媒介的全局損傷診斷技術(shù)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。根據(jù)系統(tǒng)功能的不同，基于超聲導(dǎo)波的全局損傷診斷技術(shù)可分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)與被動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種。

主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，對(duì)在被測(cè)物體中傳播后的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，從而獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況。該方法主要用于監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷、疲勞裂紋損傷和復(fù)合材料分層損傷。美國(guó)斯坦福大學(xué)的Chang等[13]利用Lamb波信號(hào)的損傷指數(shù)（即S0模式包絡(luò)能量的變化）建立與疲勞裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系。Murayama等[14]利用導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)管道中損傷的監(jiān)測(cè)。Tua等[15]利用Lamb波在鋁管中的傳播時(shí)間以及信號(hào)的幅值變化實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁管中裂紋的監(jiān)測(cè)。Giurgiutiu等[16]通過(guò)壓電晶片主動(dòng)式傳感器（Piezoelectric Wafer Active Sensors，PWAS）裂紋檢測(cè)試驗(yàn)，分析隨著裂紋的增長(zhǎng)，PWAS機(jī)電阻抗特性變化和一發(fā)一收式Lamb波波形的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋損傷的監(jiān)測(cè)。Leonard等[17]針對(duì)結(jié)構(gòu)中的腐蝕損傷開展了監(jiān)測(cè)研究。在研究中，待監(jiān)測(cè)的鋁合金薄板被布貼了正方形的壓電傳感器陣列，并通過(guò)代數(shù)重建算法（Algebraic Reconstruction Technique，ART）對(duì)損傷進(jìn)行成像。Zhao等[18]提出了基于概率成像的RAPID算法（Reconstruction Algorithm for Probabilistic Inspection of Defects，RAPID），并通過(guò)鋁合金機(jī)翼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷驗(yàn)證了該算法的有效性。Zhao等[18]還比較了幾種不同斷層掃描的算法，包括FBP（Filtered Back Projection）、ART和RAPID算法。北京航空航天大學(xué)搭建了如圖2所示的鋁合金腐蝕損傷診斷系統(tǒng)，利用16個(gè)壓電傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，并采用斷層掃描算法對(duì)腐蝕損傷及孔邊腐蝕損傷進(jìn)行成像。損傷診斷結(jié)果如圖3所示，其預(yù)測(cè)的腐蝕損傷大小與真實(shí)的腐蝕損傷大小相對(duì)誤差小于20%[19]。

被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)不需任何激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)在外部作用下的響應(yīng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)、載荷識(shí)別方法、損傷識(shí)別方法等就可以確定結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、沖擊、載荷、應(yīng)力應(yīng)變等的監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于超聲導(dǎo)波的被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了很多研究，其中對(duì)沖擊損傷的監(jiān)測(cè)研究較多。Sharif-Khodaei等[20]利用有限元方法進(jìn)行仿真并利用訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料加筋板上不同沖擊能量的沖擊進(jìn)行定位。邱雷等[21]研究了一種基于Shannon復(fù)數(shù)小波和時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多源沖擊成像定位方法，并在復(fù)合材料層合板上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠正確地對(duì)多個(gè)沖擊源進(jìn)行成像和定位，其試驗(yàn)樣板和結(jié)果如圖4所示。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment equipment

3 基于光纖傳感的結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知技術(shù)

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，常用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)與溫度場(chǎng)，進(jìn)而監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)。光纖光柵傳感的原理是通過(guò)分析經(jīng)過(guò)光纖光柵光信號(hào)的特征參量（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等）的變化來(lái)獲取被測(cè)量值（如應(yīng)變與溫度）。由于光纖光柵尺寸小，重量輕和靈敏度高等特性，可將其埋入飛行器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。美國(guó)國(guó)家航空航天局和宇航局在X-33上安裝了光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與溫度，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)。埃姆斯研究中心在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的套管中埋入光纖光柵，用這個(gè)結(jié)構(gòu)測(cè)量直升機(jī)旋翼的壓力，在試驗(yàn)中提供實(shí)時(shí)的、兩維傳感數(shù)據(jù)[22]。德國(guó)國(guó)防原子武器發(fā)展局在復(fù)合材料機(jī)翼上布貼光纖光柵傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)翼在飛行過(guò)程中應(yīng)力和溫度的變化。Borinski等[23]在光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)方面做出突出貢獻(xiàn)，并用設(shè)計(jì)的傳感器監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。

國(guó)內(nèi)關(guān)于光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究大多集中在光柵光纖的原理和應(yīng)用研究上，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開展了大量研究工作，天津大學(xué)的劉鐵根等[24]對(duì)光纖光柵傳感關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述，概述了F-P傳感技術(shù)、光纖陀螺傳感技術(shù)、光纖內(nèi)腔傳感技術(shù)在分立式光纖傳感中的應(yīng)用，以及干涉型擾動(dòng)分布傳感技術(shù)、光頻域反射傳感技術(shù)、相關(guān)時(shí)域反射儀傳感技術(shù)在分布式光纖傳感技術(shù)中的應(yīng)用。但是對(duì)光纖傳感器在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控應(yīng)用的文獻(xiàn)較少。2014年，大連理工大學(xué)與中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研發(fā)了基于分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，獲取了翼梢小翼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)。北京航空航天大學(xué)建立了基于光纖傳感的應(yīng)力場(chǎng)實(shí)時(shí)重構(gòu)系統(tǒng)，可對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的全局應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。如圖5所示，光纖光柵傳感器被布貼在機(jī)翼結(jié)構(gòu)的表面，在飛機(jī)機(jī)翼上加載外部載荷，由粘貼在機(jī)翼上的光纖光柵串S1、S2、S3和S4測(cè)得局部的應(yīng)力應(yīng)變，并結(jié)合飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)受力特性，借助有限元分析軟件，同時(shí)對(duì)光纖光柵采集得到的應(yīng)力應(yīng)變值進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)重構(gòu)出機(jī)翼上的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。

圖3 腐蝕損傷Fig.3 Corrosion damage

圖4 試驗(yàn)樣板和結(jié)果Fig.4 Test templates and results

圖5 機(jī)翼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變獲取示意圖Fig.5 Sketch of obtaining stress and strain of wing structure

4 局部敏感區(qū)域損傷診斷技術(shù)

飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在飛行過(guò)程中往往承受循環(huán)交變載荷作用，并具有復(fù)雜的非線性耦合因素，因此難以對(duì)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)破壞模式分析也十分困難。針對(duì)飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展局部敏感區(qū)域損傷診斷技術(shù)的研究，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域的裂紋萌生與擴(kuò)展情況。以下幾種局部損傷診斷技術(shù)均對(duì)微小裂紋非常敏感，因此適用于飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)局部敏感區(qū)域裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程的監(jiān)測(cè)。其中包括基于光纖傳感器的裂紋監(jiān)測(cè)、基于智能涂層的裂紋監(jiān)測(cè)以及CVM傳感器技術(shù)。這些方法的原理如圖6所示。

光纖光柵傳感器的反射光譜會(huì)隨著外界應(yīng)力梯度的變化而變化，通過(guò)測(cè)量裂紋周邊應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)光纖光柵傳感器反射光譜的影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的定量診斷。Tadahito等[25]提出基于FBG傳感器反射光譜半高寬（FWHM）來(lái)監(jiān)測(cè)層合板橫向開裂程度的方法。Park等[9]提出建立反射光譜在長(zhǎng)波長(zhǎng)與短波長(zhǎng)方向的兩個(gè)峰與復(fù)合材料分層、連接處應(yīng)變的定性關(guān)系。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)袁慎芳團(tuán)隊(duì)在孔邊裂紋的監(jiān)測(cè)中發(fā)展出一種基于T矩陣的方法來(lái)仿真光纖光柵反射強(qiáng)度譜用以重構(gòu)裂紋損傷的優(yōu)化方法[26]。在復(fù)合材料領(lǐng)域，在機(jī)翼盒段上利用表面安裝的FBG傳感器實(shí)現(xiàn)了盒段承受載荷的有效監(jiān)測(cè)[27]。北京航空航天大學(xué)針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)孔邊裂紋監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出了在多種布貼方式下基于光纖光柵反射譜變化的裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)分析光纖光柵反射光譜在裂紋通過(guò)光纖光柵傳感器前后的變化來(lái)判斷裂紋擴(kuò)展的位置[28]。

西安交通大學(xué)劉馬寶團(tuán)隊(duì)提出了利用智能涂層傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷狀況。智能涂層是一種具有“隨附損傷特性”的智能傳感器。它利用納米技術(shù)對(duì)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的高性能防腐涂層材料進(jìn)行改性，使其具有感知結(jié)構(gòu)損傷的能力。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“信息智能涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ICMS）”，通過(guò)涂層感知結(jié)構(gòu)周圍應(yīng)力應(yīng)變變化，以電阻的變化作為損傷監(jiān)測(cè)參量，通過(guò)計(jì)算機(jī)巡檢來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)局部敏感區(qū)域損傷狀態(tài)。

真空比較監(jiān)測(cè)方法（CVM）是通過(guò)一種粘貼在結(jié)構(gòu)表面的傳感器薄膜在低真空狀態(tài)下對(duì)結(jié)構(gòu)損傷引起的真空度變化敏感感知來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)局部敏感區(qū)域損傷的方法[29]。該技術(shù)在國(guó)外有較多研究，航空巨頭波音、空客都對(duì)該技術(shù)表示了興趣，并且針對(duì)該技術(shù)的實(shí)用性組織美澳軍方、美國(guó)民航局及波音、空客等多方組成的專家小組對(duì)其耐久性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)CVM技術(shù)的研究較少，也沒(méi)有相應(yīng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

5 多傳感器融合診斷技術(shù)

目前已應(yīng)用的飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感和監(jiān)測(cè)技術(shù)并不能適用于所有監(jiān)測(cè)對(duì)象。基于壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn)區(qū)域掃查，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在壓電元件穩(wěn)定性、電氣特性以及使用壽命等方面難以控制、傳感器引線較多、附加重量大等問(wèn)題?；诠饫w光柵傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法可用于開展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變分布和程度較大損傷的監(jiān)測(cè)，但對(duì)小損傷不敏感。智能涂層對(duì)小損傷敏感，但是虛警率高，而且對(duì)于接頭、圓角、下陷、緊固件等具有復(fù)雜幾何特征的結(jié)構(gòu)，由于存在各種應(yīng)力集中形式，傳感器易發(fā)生失效。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式下的大尺寸飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，必須在充分結(jié)合現(xiàn)有的多種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開展其組合傳感方法和監(jiān)測(cè)策略的研究。北京航空航天大學(xué)開展了壓電與智能涂層傳感器、壓電與光纖傳感器的融合技術(shù)研究。

圖6 局部敏感區(qū)域損傷診斷技術(shù)Fig.6 Local sensitive region damage diagnosis technique

圖7為壓電傳感器與智能涂層傳感器融合損傷診斷系統(tǒng)，利用裂紋檢出概率模型和裂紋概率密度函數(shù)兩個(gè)衡量參數(shù)分析壓電和智能涂層傳感器對(duì)疲勞裂紋長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)能力，其中壓電傳感器符合連續(xù)響應(yīng)信號(hào)模型，智能涂層傳感器符合離散響應(yīng)信號(hào)模型。建立的模型可以指導(dǎo)在不同裂紋長(zhǎng)度下哪種傳感器給出的裂紋監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度更加可信，提高裂紋監(jiān)測(cè)的精度，降低裂紋監(jiān)測(cè)的虛警率。

壓電傳感器與光纖傳感器融合損傷診斷系統(tǒng)組成如圖 8所示，該系統(tǒng)主要包括3個(gè)組成部分：壓電傳感器激勵(lì)裝置、待測(cè)試驗(yàn)件和光纖光柵解調(diào)器。待測(cè)試驗(yàn)件作為L(zhǎng)amb波的傳導(dǎo)媒介，可選擇完整或有缺陷的試驗(yàn)元件；超聲激勵(lì)裝置包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)放大器和壓電片，信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生高壓脈沖電信號(hào)，作為壓電傳感器的激勵(lì)信號(hào)，壓電傳感器在自身壓電效應(yīng)的作用下使待測(cè)件內(nèi)產(chǎn)生超聲波；光纖光柵解調(diào)器包括FBG及其信號(hào)解調(diào)設(shè)備，F(xiàn)BG與超聲波聲軸線布置方向一致。其融合損傷診斷系統(tǒng)的基本原理是用FBG代替?zhèn)鹘y(tǒng)超聲無(wú)損檢測(cè)中的接受端，用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、超聲的監(jiān)測(cè)，從而給出結(jié)構(gòu)的損傷診斷信息。這種檢測(cè)技術(shù)結(jié)合光纖光柵傳感器自身的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)中壓電傳感器的電磁干擾、多點(diǎn)難測(cè)的問(wèn)題，在損傷檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

6 結(jié)構(gòu)健康評(píng)估技術(shù)

結(jié)構(gòu)損傷可分為兩大類：突發(fā)損傷與漸變損傷。突發(fā)損傷由突然事件引起，使得損傷迅速達(dá)到臨界值，進(jìn)而造成失效。由于其偶然性和瞬時(shí)性，損傷預(yù)測(cè)與剩余壽命評(píng)估往往沒(méi)有意義。因此，結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測(cè)一般是針對(duì)漸變損傷。

結(jié)構(gòu)損傷的預(yù)測(cè)屬于故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域。故障預(yù)測(cè)技術(shù)大致可分為有3種：基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和基于模型的方法，3種方法的預(yù)測(cè)精度依次增加?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的方法是根據(jù)實(shí)際歷史數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，從統(tǒng)計(jì)特性角度考慮，尋找預(yù)測(cè)故障的總體分布規(guī)律，典型的如“浴盆曲線”?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法是在很難建立復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的情況下，利用傳感器監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，典型的如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)等智能算法?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ侵竿ㄟ^(guò)集成物理或數(shù)學(xué)模型和隨機(jī)過(guò)程建模對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，具有一定物理意義，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其故障主要是指疲勞、腐蝕、磨損等損傷，相對(duì)其他復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)故障模式較為單一，故一般采用精度較高的基于模型的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)基于模型的方法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷主要包括以下兩方面的研究。

圖7 壓電傳感器與智能涂層傳感器融合損傷診斷系統(tǒng)Fig.7 Fusion damage diagnosis system based on piezoelectric sensor and ICMS

圖8 壓電傳感器與光纖傳感器融合損傷診斷系統(tǒng)Fig.8 Fusion damage diagnosis system based on piezoelectric sensor and optical fiber sensor

一是基于損傷發(fā)展規(guī)律建立確定性的損傷演化模型。飛行器金屬結(jié)構(gòu)最為常見的損傷是疲勞裂紋損傷，其中Paris模型受到廣泛認(rèn)可，它描述了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的定量關(guān)系。之后，各學(xué)者基于Paris公式進(jìn)行了諸多修正，考慮應(yīng)力比對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響，著名的有Forman公式和Walker公式。Elber觀察到裂紋閉合現(xiàn)象，加載過(guò)程中應(yīng)力大于某一值時(shí)則裂紋張開，卸載過(guò)程中應(yīng)力小于某一值則裂紋閉合，這解釋了變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展遲滯與加速現(xiàn)象，基于裂紋閉合理論提出有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的概念。基于裂紋閉合理論，各國(guó)學(xué)者對(duì)變幅載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展模型開展了研究[30]。近期，Antunes等[31]研究了塑性致裂紋閉合與裂紋尖端鈍化的主要機(jī)制，建立了一個(gè)分析模型隔離殘余塑性變形對(duì)塑性致裂紋閉合的影響。Correia等[32]提出了一個(gè)可定量評(píng)估裂紋閉合效應(yīng)影響的理論模型，基于該模型可計(jì)算裂紋張開應(yīng)力強(qiáng)度因子。北京航空航天大學(xué)提出了小時(shí)間尺度疲勞裂紋擴(kuò)展模型，研究在一個(gè)載荷周期內(nèi)任意時(shí)刻疲勞裂紋的擴(kuò)展行為以及疲勞裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化情況，建立疲勞裂紋擴(kuò)展模型[33]。

二是考慮實(shí)際預(yù)測(cè)過(guò)程中的各不確定性進(jìn)行隨機(jī)過(guò)程建模。目前應(yīng)用較多的是基于貝葉斯理論統(tǒng)計(jì)濾波的方法。常用的貝葉斯濾波方法主要包括卡爾曼濾波方法與粒子濾波方法。經(jīng)典卡爾曼濾波算法只能使用于高斯線性系統(tǒng)，但在損傷預(yù)測(cè)問(wèn)題中，待識(shí)別的結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間是一種非線性關(guān)系。粒子濾波理論是一種基于蒙特卡洛方法和遞歸貝葉斯估計(jì)的統(tǒng)計(jì)濾波方法，逐漸被用于故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域[34]。其存在的兩個(gè)基本過(guò)程為更新與預(yù)測(cè)，這兩個(gè)過(guò)程遞推進(jìn)行。針對(duì)其存在的粒子退化、樣本匱乏、最優(yōu)的重要概率密度選擇等問(wèn)題，許多改進(jìn)算法被提出。北京航空航天大學(xué)通過(guò)建立損傷檢出概率模型，基于貝葉斯方法，利用損傷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)損傷演化模型參數(shù)進(jìn)行更新，減小了損傷預(yù)測(cè)的不確定性[35]。

飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控研究面臨的挑戰(zhàn)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究到實(shí)際應(yīng)用，特別是在飛行器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，目前還面臨著以下挑戰(zhàn)。

1 滿足機(jī)載要求的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)

重量是飛機(jī)的重要指標(biāo)之一，要想使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)滿足機(jī)載要求，首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化，即包含傳感器網(wǎng)絡(luò)、解調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等所有部分的系統(tǒng)在重量上要能滿足機(jī)載設(shè)備的要求。此外，在滿足輕量化的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該使裝置體積更小、能耗更低。飛機(jī)的一些關(guān)鍵部位長(zhǎng)期暴露于空氣中，如機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)，飛機(jī)飛行與降落過(guò)程中表面溫度變化較大，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的可靠性提出了較高要求。主要包含了兩個(gè)方面的含義，一方面需要克服光纖布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器受到的溫度變化的影響，從而保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性；另一方面，在進(jìn)行飛機(jī)表面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，需要考慮飛機(jī)表面溫度變化對(duì)傳感器物理特性的影響，避免因溫度變化造成傳感器的物理性損壞。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的抗電磁干擾性設(shè)計(jì)是滿足機(jī)載要求的又一重要指標(biāo)，只有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)，才能保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的可靠度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的安全性是需要考慮的另一重要方面，主要是指結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)本身結(jié)構(gòu)性能的影響，如傳感器的布貼位置和方法對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵部位強(qiáng)度的影響等因素。此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)備在飛機(jī)中放置的位置等需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，一方面避免在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備的損壞；另一方面也避免飛行過(guò)程中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備成為“多余物”并對(duì)飛機(jī)的正常運(yùn)行造成影響；最后，需要考慮結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備與原有機(jī)載設(shè)備的相容性。要使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)滿足機(jī)載要求，原有機(jī)載設(shè)備與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的相容性是必須考慮的問(wèn)題。設(shè)備間的電磁干擾、供電等相容性的設(shè)計(jì)會(huì)影響到飛機(jī)整體的可靠性和安全性。而設(shè)備間的空間位置、組合方式等的相容性設(shè)計(jì)則會(huì)影響到飛機(jī)整體的維修性和保障性[36]。所以，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)與原有機(jī)載設(shè)備的相容性設(shè)計(jì)十分重要。

2 大型傳感器網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)

圖9 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器的安裝方式Fig.9 Installation method of structure health monitoring sensor

當(dāng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于大范圍或大面積結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與基體結(jié)構(gòu)集成為一體。傳感器與基體結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)包括：表面粘接技術(shù)和嵌入式傳感器技術(shù)，如圖9所示。表面粘貼技術(shù)（圖9（a））通過(guò)環(huán)氧樹脂膠黏劑將傳感器粘貼在基體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置，以實(shí)現(xiàn)傳感器的監(jiān)測(cè)功能。并且在傳感器與基體結(jié)構(gòu)的集成過(guò)程中，膠黏劑由于易受到光、熱和濕度等環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致其粘接性能下降。因此，膠黏劑在長(zhǎng)期服役環(huán)境下保持良好的耐久性和穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的重要保證。此外，由于傳感器材料和膠黏劑與結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能、熱性能、力學(xué)性能等具有較大差異，集成結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料的性能和傳感器的功能將會(huì)受到影響。因此，需要通過(guò)研究不同粘貼工藝，分析影響傳感器性能的各種因素，獲得最佳的傳感器與基體結(jié)構(gòu)的粘貼工藝。嵌入式傳感器技術(shù)（圖9（b））是在可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的材料（尤其是復(fù)合材料）的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中將微型傳感器布置于基體結(jié)構(gòu)中，并且集成過(guò)程中不能改變基體結(jié)構(gòu)的原有性能，同時(shí)也要保證傳感器的監(jiān)測(cè)功能。例如對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，為了在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的過(guò)程中有效地收集結(jié)構(gòu)損傷前后的信息，采用的預(yù)先布置在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的傳感器尺寸將會(huì)造成結(jié)構(gòu)部分性能的損失（如界面強(qiáng)度），并且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的材料性能分布將會(huì)變得極不均勻。因此，通過(guò)研制微型傳感器并將其嵌入材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)嵌入式傳感器技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)之中。

3 傳感器自診斷技術(shù)

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)中部分傳感器的失效將會(huì)造成損傷評(píng)估出現(xiàn)誤檢或?qū)е虏糠謪^(qū)域未得到有效監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象。因此，為了使健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的診斷功能在傳感器出現(xiàn)退化、損傷或缺失時(shí)更加穩(wěn)定和精確，急需傳感器的自診斷技術(shù)來(lái)精確地檢測(cè)和識(shí)別傳感器的故障[37]。傳感器的故障可能是由于極端的操作條件，如沖擊。此外，傳感器的故障也可能由傳感器的不當(dāng)安裝造成，包括粘接缺陷或處理過(guò)程中傳感器的意外破損[38]。例如對(duì)于壓電傳感器，可以通過(guò)測(cè)量傳感器的阻抗來(lái)檢測(cè)一個(gè)傳感器是退化或是損壞。此外，在兩個(gè)或多個(gè)傳感器之間會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)-接受信號(hào)，通過(guò)對(duì)采集激勵(lì)-接受信號(hào)的分析可以確定傳感器是否出現(xiàn)損壞或出現(xiàn)部分脫粘。然后將功能退化或已損壞的傳感器從傳感器網(wǎng)絡(luò)中移去，并通過(guò)調(diào)用周圍的傳感器對(duì)移去傳感器的區(qū)域進(jìn)行覆蓋，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我診斷與維護(hù)，以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

4 基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的健康管理

基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的健康管理的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷與剩余壽命，實(shí)現(xiàn)由定時(shí)維修向視情維修的轉(zhuǎn)變。飛行器在服役過(guò)程中多受到變幅載荷作用，不同幅值載荷的交互作用也會(huì)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生顯著影響。目前基于裂紋閉合理論，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了多種修正模型，但尚未形成統(tǒng)一的方法，對(duì)于變幅載荷中的核心問(wèn)題過(guò)載遲滯機(jī)理有待深入研究。此外，飛行器往往會(huì)受到腐蝕、高溫、振動(dòng)等使用環(huán)境的影響，不同環(huán)境中其損傷演化規(guī)律不同，如何在考慮環(huán)境因素對(duì)損傷演化規(guī)律影響的基礎(chǔ)上對(duì)損傷模型進(jìn)行修正，也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在對(duì)實(shí)際損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)往往受到多種噪聲的影響，目前的研究針對(duì)個(gè)體差異引起模型參數(shù)的不確定性與傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性展開較多研究，但相關(guān)算法仍然存在一些問(wèn)題，如指出監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量與間隔會(huì)影響評(píng)估的精度，需要進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，需要提高算法的容錯(cuò)能力與魯棒性，對(duì)于傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的偶然抖動(dòng)也可以準(zhǔn)確判斷，避免預(yù)測(cè)的較大偏差。此外，目前對(duì)于損傷演化模型的選擇都是單一的，未考慮模型選擇的不確定性，即假定所給定的模型形式可準(zhǔn)確描述裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，而實(shí)際上目前對(duì)于很多損傷的演化機(jī)理研究存在多種不同的理論，相應(yīng)地存在多種基于不同機(jī)理的損傷演化模型[39]，在這種情況下如何考慮模型選擇的不確定性也是面臨的挑戰(zhàn)之一。對(duì)結(jié)構(gòu)的健康管理需要基于診斷/預(yù)測(cè)結(jié)果，考慮使用要求和可用的維修資源對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)?shù)臎Q策，維修策略由定時(shí)維修和事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)橐暻榫S修。視情維修包括驗(yàn)證復(fù)查任務(wù)、損傷隔離任務(wù)與損傷修理任務(wù)3類。如何在對(duì)結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展趨勢(shì)與剩余壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，最終決策適當(dāng)切入時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修工作是未來(lái)的挑戰(zhàn)之一。

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)作為一項(xiàng)確定和評(píng)價(jià)飛行器結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)，在飛行器設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)中都可以發(fā)揮重要作用，可實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)的狀態(tài)維護(hù)，并最終為飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代提供依據(jù)。面向飛行器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)的研究涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、信號(hào)處理技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能等多個(gè)學(xué)科。本文綜述了面向飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控技術(shù)和方法進(jìn)展，總結(jié)了各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)合，分別從多學(xué)科交叉融合和工程應(yīng)用角度討論了面向飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前成功應(yīng)用的案例表明了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)上有著廣闊的應(yīng)用前景，但是從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H工程應(yīng)用仍需大量試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展需要與我國(guó)實(shí)際軍民用型號(hào)研制相結(jié)合，對(duì)研發(fā)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能飛行器具有重要意義。

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