孫俠生 肖迎春 白生寶 劉國強(qiáng) 杜振華 袁慎芳 薛景鋒

摘要：飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個將對飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗(yàn)和維護(hù)產(chǎn)生重要影響的技術(shù)領(lǐng)域。國內(nèi)航空界持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，逐步形成了高校、科研院所和主機(jī)廠所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)相關(guān)概念、內(nèi)涵和策略，傳感器工程適用性，監(jiān)測方法，監(jiān)測儀器，系統(tǒng)集成以及試驗(yàn)驗(yàn)證方面展開了深入研究，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用。本文全面介紹了國內(nèi)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；傳感器；損傷監(jiān)測方法；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：V240.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.008

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)動器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測的綜合技術(shù)。它通過傳感器感知或驅(qū)動器產(chǎn)生激勵—傳感器獲取響應(yīng)的方式，經(jīng)過相應(yīng)的算法將感知的結(jié)構(gòu)自然的或激勵響應(yīng)的電子信號與結(jié)構(gòu)的狀態(tài)特征對應(yīng)，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），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)，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命和損傷狀態(tài)進(jìn)行評估，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測[1-3]。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。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)自出現(xiàn)以來，世界各航空先進(jìn)國家對其發(fā)展和應(yīng)用前景保持高度的關(guān)注[3-5]。

在材料、工藝水平和容許使用應(yīng)力水平一定的條件下，采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以延長檢查間隔，降低維護(hù)檢測成本。而在檢測間隔要求不變的情況下，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以提高容許使用應(yīng)力的水平，給飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合減重提供了很大優(yōu)化空間。因而，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是有可能給未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和維護(hù)策略帶來革命性變化的技術(shù)領(lǐng)域，在各航空技術(shù)強(qiáng)國得到持續(xù)的重視。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)概念的發(fā)源地在美國，比較有名的研究部門有斯坦福大學(xué)、西北大學(xué)及美國國家航空航天局（NASA）等，對相關(guān)理論和技術(shù)的形成有重要貢獻(xiàn)。而美國國防部門、空軍及波音公司、洛克希德-馬丁飛機(jī)公司等工業(yè)部門的應(yīng)用需求對促進(jìn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，如美國NASA“Integrated Vehicle Health Management”計劃、空軍研究室（AFRL）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）發(fā)展計劃，洛克希德-馬丁飛機(jī)公司F-35飛機(jī)故障預(yù)測與健康管理（PHM）系統(tǒng)的研發(fā)，以及波音飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（airplane health management，AHM）的研發(fā)，積極地推動了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。歐洲各國家研究機(jī)構(gòu)也在歐盟框架的支持下發(fā)展自己的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。歐盟在第6框架計劃項(xiàng)目SMIST中將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展劃分為4個階段，即地面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)應(yīng)用階段、在役飛機(jī)的離線監(jiān)測階段、在役飛機(jī)的在線監(jiān)測階段、與飛機(jī)其他監(jiān)測系統(tǒng)全集成的應(yīng)用階段，并按此計劃在積極地推進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[5-8]。

世界各國飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究基本以傳感器監(jiān)測技術(shù)研究為基礎(chǔ)開展，按照傳感機(jī)理/原理、傳感器耐久性、監(jiān)測概率、監(jiān)測儀器研發(fā)、使用環(huán)境下的性能測試（耐久性、存活率等），實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的應(yīng)用測試，技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)和評定，以及部件試驗(yàn)的演示驗(yàn)證等這樣一個技術(shù)路線圖[6-9]。國內(nèi)高校和有關(guān)科研機(jī)構(gòu)持續(xù)追蹤并開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)。在國家和航空工業(yè)部門相關(guān)基金的支持下，在光纖光柵傳感器、導(dǎo)波傳感器以及智能涂層傳感器等先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)方面開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

隨著民用航空技術(shù)的發(fā)展，我國民用飛機(jī)的研發(fā)跨入快速發(fā)展階段，給先進(jìn)材料、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計等技術(shù)領(lǐng)域的研究帶來蓬勃的發(fā)展機(jī)遇。復(fù)合材料的使用比例已成為當(dāng)代先進(jìn)民用客機(jī)的重要標(biāo)志，為了研制有競爭力的大型客機(jī)，我國在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究上加大了投入，隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐漸成熟，其應(yīng)用逐漸向非承力結(jié)構(gòu)—承力結(jié)構(gòu)—主承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，復(fù)合材料使用量也得到極大提升。而對于已開始廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，受載情況比較復(fù)雜，作為主承力結(jié)構(gòu)，多數(shù)受彎、剪、扭的復(fù)合載荷，靜載、動載、疲勞載荷，有的部位還可能在過屈曲狀態(tài)下受載，損傷模式復(fù)雜多樣，不易從表面觀察到。如果這些損傷和潛在危險不能及時發(fā)現(xiàn)，就有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突發(fā)性破壞，造成結(jié)構(gòu)失效，這為保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性提出了新的要求，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全使用面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為一種在保證飛機(jī)安全和降低飛機(jī)運(yùn)營成本方面具有巨大潛力的先進(jìn)技術(shù)，開始成為航空業(yè)界研究的熱點(diǎn)，給飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)帶來發(fā)展契機(jī)。國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)、高校和主機(jī)廠所組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在相關(guān)課題的支持下，以民用飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料的應(yīng)用需求為背景，深入開展了飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM技術(shù)研究工作。

在建立聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)以前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的推動主要以高校為主，研究側(cè)重于基礎(chǔ)性、理論性研究，亟須與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的工程需求緊密結(jié)合，促進(jìn)成果的應(yīng)用，以消除航空結(jié)構(gòu)工程界對SHM技術(shù)的監(jiān)測原理、先進(jìn)傳感器的工程適用性等的疑慮。因此研究團(tuán)隊(duì)首先需要對飛機(jī)SHM概念內(nèi)涵、傳感器工程適用性、監(jiān)測系統(tǒng)及其能力與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷容限體系的相容性，以及未來在線應(yīng)用的前景進(jìn)行深入、詳細(xì)的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)從民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)策略、傳感器技術(shù)工程適用性、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測儀器技術(shù)及集成、典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法和飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)中的綜合驗(yàn)證5個方面開展了較為系統(tǒng)的研究工作。本文將對這5個相關(guān)的研究工作進(jìn)行介紹，側(cè)面反映我國在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方面的研究概況。

1飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)概念、內(nèi)涵和策略

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)從技術(shù)發(fā)展的邏輯來看，一般要經(jīng)過傳感器、傳感能力、耐久性、集成儀器、系統(tǒng)集成等不同發(fā)展階段。人們通常習(xí)慣于將每個階段的研究工作都稱之為SHM研究，這容易引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM概念的混淆。飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個整體概念，與具體的系統(tǒng)結(jié)合之后，涉及的問題則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不限于此。飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，如何選擇傳感器，傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的工程適用性、耐久性，對系統(tǒng)儀器的適航要求，如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，需要對飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念、內(nèi)涵和范疇、適航性條件、具體結(jié)構(gòu)條件等進(jìn)行分析研究。因此，研究團(tuán)隊(duì)首先對飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性控制體系，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)概念、內(nèi)涵、范疇，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測效益實(shí)現(xiàn)的途徑和飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM的策略進(jìn)行了深入研究。

圍繞飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的疲勞、裂紋擴(kuò)展等問題，基于疲勞統(tǒng)計學(xué)和斷裂力學(xué)理論，逐步發(fā)展出一系列的應(yīng)對和控制方法，形成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（aircraft structural integrity program，ASIP）。這套體系關(guān)注的核心問題其實(shí)是結(jié)構(gòu)的損傷。結(jié)構(gòu)損傷的演化一般包括了裂紋萌生、小裂紋、宏觀裂紋、裂紋不穩(wěn)定快速擴(kuò)展等幾個階段。引起結(jié)構(gòu)疲勞的原因是重復(fù)載荷造成的裂紋萌生?；谄谠囼?yàn)數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析，針對性地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全壽命設(shè)計是早期飛機(jī)結(jié)構(gòu)解決疲勞損傷的方法，也是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計中選材的基礎(chǔ)。多處或多部位小裂紋損傷同樣會引起安全問題，應(yīng)對方法即是結(jié)構(gòu)廣布損傷抑制設(shè)計。假定存在初始裂紋，以裂紋擴(kuò)展壽命為基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全設(shè)計，此即是損傷容限設(shè)計思想，如圖1所示。由此可見，結(jié)構(gòu)完整性的發(fā)展史實(shí)質(zhì)上是一個尋求對結(jié)構(gòu)損傷及其演化（裂紋）進(jìn)行控制的歷史。結(jié)構(gòu)完整性控制體系其實(shí)就是一個大的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系。要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的效益，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)一是必須參與到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，二是需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)的維護(hù)方式，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和飛機(jī)維護(hù)計劃都是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如結(jié)構(gòu)維護(hù)就隱含了龐大的管理流程、組織結(jié)構(gòu)，甚至物流體系等。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)如何集成到耐久性損傷容限設(shè)計中去，對具體關(guān)鍵部位重要損傷的萌生、擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)計，如何和無損檢測技術(shù)一起來確定結(jié)構(gòu)的檢測方案，進(jìn)而確定整個飛機(jī)的維護(hù)策略，需要從理論到實(shí)踐地開展深入的探索。

現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性是依靠耐久性損傷容限設(shè)計和控制體系來實(shí)現(xiàn)的。這個體系可以用圖2來表述，圖3是圖2的簡化形式。通過獲取機(jī)群飛行的飛行包線、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析和損傷擴(kuò)展分析，預(yù)計損傷擴(kuò)展壽命，合理定義檢查間隔，制定檢查程序，按計劃進(jìn)行損傷檢測，以確定是否修理和更換，來確保結(jié)構(gòu)的完整性。

從圖3中可以看出，只有應(yīng)力譜和當(dāng)前損傷程度是需要進(jìn)行監(jiān)測的。在現(xiàn)有的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性控制體系中，損傷的監(jiān)控是在規(guī)定的間隔、定期進(jìn)行無損檢測來完成的，這是一種間斷的監(jiān)測方式。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的參與，有可能使得整個監(jiān)控體系變成一種連續(xù)的監(jiān)測方式。

根據(jù)監(jiān)測變量的不同，可以將飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分為壽命監(jiān)測（見圖4）和損傷監(jiān)測（見圖5）兩大類。其中壽命監(jiān)測方法從最早的起落計數(shù)開始，經(jīng)過重心過載計數(shù)、應(yīng)變片監(jiān)測等一直延續(xù)發(fā)展至今。損傷監(jiān)測方式一直隨著無損檢測技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)有可能改變間斷式的損傷監(jiān)測為在線的連續(xù)監(jiān)測。理想的監(jiān)測策略是將兩者結(jié)合起來，兼具預(yù)測和報警兩大功能（見圖6）。

實(shí)際的工程應(yīng)用中，根據(jù)傳感器技術(shù)水平及功能的不同，基于這兩大類基本監(jiān)測策略框架，往往采取具體的監(jiān)測策略。依據(jù)策略分析，研究團(tuán)隊(duì)將傳感器研究領(lǐng)域確定在應(yīng)變監(jiān)測（光纖光柵FBG）和損傷監(jiān)測傳感器（導(dǎo)波PZT等）兩類先進(jìn)傳感器。

另外，研究團(tuán)隊(duì)通過對波音、空客等國外先進(jìn)國家結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，對開展的飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)行了定位，制定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展路線圖（見圖7）。

2傳感器工程適用性

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域傳感器技術(shù)飛速發(fā)展，先進(jìn)傳感器不斷出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)密切相關(guān)的傳感器主要是應(yīng)變監(jiān)測傳感器和損傷監(jiān)測傳感器兩類。研究團(tuán)隊(duì)對所有先進(jìn)傳感器技術(shù)呈開放態(tài)度，對國內(nèi)出現(xiàn)的幾乎所有的先進(jìn)傳感器技術(shù)進(jìn)行了關(guān)注、跟蹤和研究，對光纖光柵傳感器（FBG）、壓電導(dǎo)波傳感器（PZT）、聲發(fā)射傳感器（AE）、含金屬芯導(dǎo)波纖維傳感器（MPF）、智能涂層傳感器（SC）、真空比較裂紋監(jiān)測（CVM）傳感器、非本征型F-P干涉（EFPI）傳感器7種類型傳感器監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工程適用性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10-17]（見表1）。篩選出了適合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)施健康監(jiān)測的光纖光柵、壓電導(dǎo)波、聲發(fā)射和含金屬芯導(dǎo)波纖維4種傳感器。其中，光纖光柵傳感器適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)變監(jiān)測，導(dǎo)波傳感器和含金屬芯導(dǎo)波纖維傳感器適用于復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的區(qū)域的沖擊、脫黏和分層損傷監(jiān)測，聲發(fā)射傳感器適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)局部損傷被動監(jiān)測。

研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注的則是光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測傳感器和壓電導(dǎo)波損傷監(jiān)測傳感器，不僅是因?yàn)樗鼈兪亲顬闊衢T的和最富想象空間的先進(jìn)傳感器，它們的出現(xiàn)對促進(jìn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)概念的形成和發(fā)展有重要作用，同時也因?yàn)樗鼈兎巷w機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測策略的需要。

同時，通過大量的試驗(yàn)、分析和研制工作，重點(diǎn)解決了光纖光柵、壓電導(dǎo)波、聲發(fā)射和含金屬芯導(dǎo)波纖維4種傳感器的安裝、封裝、環(huán)境補(bǔ)償、校準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等工程適用性問題，研制了封裝式FBG應(yīng)變傳感器、封裝式FBG應(yīng)變花傳感器、PZT智能夾層傳感器（見圖8～圖10），制定了FBG/PZT傳感器的安裝工藝，并在試驗(yàn)中對其工程適用性進(jìn)行了驗(yàn)證考核，實(shí)現(xiàn)了健康監(jiān)測傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的工程應(yīng)用能力。

3典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法

研究團(tuán)隊(duì)針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型損傷，按照由元件SHM監(jiān)測試驗(yàn)建立基本特征信號數(shù)據(jù)庫，通過細(xì)節(jié)件、組合件等逐級試驗(yàn)來考慮連接形式、部位、幾何尺寸和環(huán)境等因素對信號的影響，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，開展了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測研究（見圖 11）。對復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的監(jiān)測部位進(jìn)行了分析、篩選，綜合考慮缺陷/損傷的可檢性和對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的威脅程度，先期重點(diǎn)對4類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（層合板、T形、π形、單搭接，見表2）的三種典型損傷（分層損傷、脫黏和沖擊損傷）開展了監(jiān)測方法研究。建立了基于導(dǎo)波、聲發(fā)射和MPF傳感技術(shù)的損傷監(jiān)測方法（見表3），如主動蘭姆波的損傷指數(shù)法、基于三角測量和最優(yōu)化技術(shù)的復(fù)合材料沖擊定位兩步法、基于聲發(fā)射和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的復(fù)合材料沖擊定位方法、基于時間反轉(zhuǎn)聚焦的損傷合成成像方法（見圖12）、基于導(dǎo)波傳感器的損傷被動定位方法、基于MPF花型傳感器的沖擊定位方法和損傷監(jiān)測、識別、定位相關(guān)算法判據(jù)[18-31]，構(gòu)建了典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷診斷數(shù)據(jù)庫。

4結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測儀器和綜合集成

驅(qū)動傳感器產(chǎn)生信號，用傳感器接收結(jié)構(gòu)損傷萌生時的應(yīng)力波信號或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的發(fā)射信號，對信號特征進(jìn)行監(jiān)測、處理、識別和診斷，需要一個計算機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)才能完成這樣的任務(wù)，因此相應(yīng)的監(jiān)測儀器是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基礎(chǔ)。傳感器功能不同，監(jiān)測儀器結(jié)構(gòu)也完全不同。團(tuán)隊(duì)研究中監(jiān)測儀器的開發(fā)大致分兩類，即應(yīng)變監(jiān)測和損傷監(jiān)測。應(yīng)變監(jiān)測儀器以光纖光柵解調(diào)儀為主，依托航空工業(yè)計量所團(tuán)隊(duì)研制；損傷監(jiān)測儀器以導(dǎo)波損傷監(jiān)測技術(shù)為主，分為主動監(jiān)測儀器和被動監(jiān)測儀器兩類，主動監(jiān)測儀器的研制依托南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)；被動監(jiān)測儀器的研制依托大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)；航空工業(yè)強(qiáng)度所從推進(jìn)工程化應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成的目的出發(fā)研發(fā)了壓電導(dǎo)波主被動合成監(jiān)測儀器。

經(jīng)過數(shù)年的努力，成功研發(fā)了光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、多通道導(dǎo)波損傷監(jiān)測系統(tǒng)，并快速實(shí)現(xiàn)性能升級（見圖13～圖16），性能達(dá)到國際同類設(shè)備的水平。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的重要場景之一，在地面試驗(yàn)中對飛機(jī)結(jié)構(gòu)尤其是全機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)施健康監(jiān)測是一個綜合任務(wù)，需要多個子系統(tǒng)的協(xié)同工作。SHM只有實(shí)現(xiàn)對全尺寸結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)測和綜合監(jiān)測，對地面試驗(yàn)才有重大意義，而這唯有多子系統(tǒng)協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)。為此，航空工業(yè)強(qiáng)度所突破了系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了一個集多系統(tǒng)，異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合分析、評估、管理、于一體的結(jié)構(gòu)健康綜合監(jiān)測系統(tǒng)平臺，此系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳感控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、損傷診斷、健康狀態(tài)綜合評估和基于VR的監(jiān)測數(shù)據(jù)3D可視化功能，如圖17所示。

5 SHM在飛機(jī)全尺寸結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中的驗(yàn)證和應(yīng)用

針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型損傷形式，研究團(tuán)隊(duì)建立了面內(nèi)破壞模型、分層破壞模型、凹坑回彈的蠕變模型。開發(fā)了基于疲勞損傷評估判據(jù)的復(fù)合材料層合板性能計算軟件和復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度評估軟件，包括復(fù)合材料層合板和加筋結(jié)構(gòu)低速沖擊損傷分析系統(tǒng)、復(fù)合材料層合板和加筋結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度（損傷容限）分析系統(tǒng)、含內(nèi)埋孔復(fù)合材料層合板剩余強(qiáng)度分析等子系統(tǒng)。

針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)載荷監(jiān)測方法研究，建立了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)變—載荷關(guān)系測試方法，開發(fā)了應(yīng)變—載荷數(shù)據(jù)處理及載荷監(jiān)測軟件，通過基于實(shí)測載荷數(shù)據(jù)的載荷譜編制方法研究，建立了基于實(shí)測載荷數(shù)據(jù)的載荷譜編制方法。

另外，研究團(tuán)隊(duì)按照“積木”式試驗(yàn)驗(yàn)證方法，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)（機(jī)翼、機(jī)身、機(jī)頭）項(xiàng)目和強(qiáng)度所開展的飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)項(xiàng)目，通過復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、復(fù)合材料盒段結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等逐級對傳感器工程適用性、損傷監(jiān)測方法、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測儀器及綜合集成系統(tǒng)平臺進(jìn)行了多層級驗(yàn)證（見圖18～圖20）。

6總結(jié)與思考

6.1總結(jié)

經(jīng)過多年的通力協(xié)作，國內(nèi)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，大體表現(xiàn)在如下幾個方面。

（1）理清了民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)系，確定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的內(nèi)涵、范疇和策略，明晰了民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展路徑。

（2）解決了基于柔性基底的光纖光柵、壓電晶片、含金屬芯壓電纖維等傳感器的封裝、安裝工藝；建立了光纖光柵、壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償方法。實(shí)現(xiàn)了傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)中工程應(yīng)用。

（3）建立了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的多域表征指數(shù)及基于稀疏傳感器陣列的健康監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷和沖擊載荷的快速、準(zhǔn)確識別。

（4）研制了自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和壓電健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測綜合集成系統(tǒng)平臺。

（5）基于“積木”式體系，系統(tǒng)開展了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究與驗(yàn)證，研究成果應(yīng)用于C919中央翼盒段靜力和MA600全機(jī)疲勞等重點(diǎn)型號試驗(yàn)，并持續(xù)在各類型號試驗(yàn)中推廣。

6.2幾點(diǎn)思考

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)相關(guān)的傳感器、監(jiān)測方法、子系統(tǒng)的研制等研究進(jìn)展很快，但仍然離實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測管理的在線應(yīng)用有很大距離，從某種意義上講似乎已經(jīng)進(jìn)入了瓶頸期。為此，下面提供一些思考以拋磚引玉，希望以此能引起更多的探索與創(chuàng)新。

（1）新的功能材料的發(fā)展日新月異。要繼續(xù)關(guān)注新的傳感器技術(shù)在SHM領(lǐng)域的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)有傳感器技術(shù)和監(jiān)測方法也還需要進(jìn)一步的提升和完善。

（2）單項(xiàng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)從傳感器、監(jiān)測方法到子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對單一結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位進(jìn)行損傷監(jiān)測，作為遠(yuǎn)程終端，其網(wǎng)絡(luò)能力還可以隨著5G等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）綜合集成監(jiān)測平臺通過集成多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測手段，可以實(shí)現(xiàn)對全尺寸乃至全機(jī)地面強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)變、損傷等狀態(tài)監(jiān)測。綜合集成平臺能力還可以往多試驗(yàn)平臺、多場景網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，形成飛機(jī)地面強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)中心的雛形。在此基礎(chǔ)上可以衍生或促進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生、虛擬試驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)等諸多技術(shù)的發(fā)展。

（4）文中飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的策略分析可以發(fā)現(xiàn)耐久性損傷容限分析方法和計算模型是解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM和PHM問題的根本。損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)和載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)只有經(jīng)過損傷模型和壽命模型分析才能發(fā)揮作用，否則現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建的只是一個沒有心臟的空殼子。飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算和耐久性損傷容限分析是一個強(qiáng)度領(lǐng)域的傳統(tǒng)問題，不太容易引起SHM研究者們的重視，也不容易獲取新的項(xiàng)目資金支持，但它是否能隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而不斷地創(chuàng)新，卻是決定能否實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM/PHM技術(shù)在線應(yīng)用的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)據(jù)需要數(shù)字化、模型化，計算理論需要結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)模型化、模塊化和信息化。

（5）在結(jié)構(gòu)完整性五大階段任務(wù)中，第四階段任務(wù)是對前三個階段（即設(shè)計、研制、試驗(yàn)三個階段）的成果總成，其中強(qiáng)度技術(shù)的成果總成對飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康管理技術(shù)的形成起到非常關(guān)鍵的作用，將其實(shí)現(xiàn)信息化是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM管理的基礎(chǔ)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)有著光明的應(yīng)用前景，但道路是漫長的，還有很多路程需要堅(jiān)實(shí)地探索。

參考文獻(xiàn)

[1]孫俠生，肖迎春.飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].航空學(xué)報，2014，35（12）：3199-3212. Sun Xiasheng，Xiao Yingchun.Opportunities and challenges of aircraft structureal health monitoring[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2014，35（12）：3199-3212.（in Chinese）

[2]Herman V A，Bart P. International research projects on structural health monitoring：An overview[J].Structural Health Monitoring，2003，2（4）：341-358.

[3]袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007. Yuan Shenfang. Structural health monitoring and damage control[M].Beijing：National Defense Industry Press，2007.（in Chinese）

[4]Boller C.Next generation structural health monitoring and its integration into aircraft design[J]. International Journal of Systems Science，2000，31（11）：1333-1349.

[5]杜善義，張博明.飛行器結(jié)構(gòu)智能化研究及其發(fā)展趨勢[J].宇航學(xué)報，2007，28（4）：773-778. Du Shanyi， Zhang Boming. Status and development of intelligent aircraft structures[J].Journal of Astronautics，2007，28（4）：773-778.（in Chinese）

[6]Hess A，Calvello G，Dabney T. PHM a key enabler for the JSF autonomic logistics support concept[C]// IEEE Aerospace Conference Proceedings，2004.

[7]Hess A. Prognostics，from the need to reality from the fleet users and PHM system designer/developers perspectives[C]// IEEEAerospace Conference Proceedings，2002.

[8]Hess A. The joint strike fighter（JSF）PHM concept：potential impactonagingaircraftproblems[C]//IEEEAerospace Conference Proceedings，2002.

[9]Christian B，Matthias B. Fatigue in aerostructures：where structural health monitoring can contribute to a complex subject[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society，2007，365：561-587.

[10]Speckmann H，Christine B. Structural health monitoring（SHM）：a future alternative to conventional NDT[C]//ATAs 49th NDT Forum，2006.

[11]Speckmann H，Daniel J P. Structural health monitoring for airliner，from research to user requirements a European view[C]// CANEUS 2004-Conference on Micro-Nano-Technologies，2004.

[12]Speckmann H，Henrich R. Structural health monitoring（SHM）. overview on technologies under development[C]// IMRBPB Meeting，EASA，2007.

[13]白生寶，肖迎春，黃博. FBG傳感器應(yīng)變標(biāo)定方法[J].振動、測試與診斷， 2014， 36（2）：321-324. Bai Shengbao， Xiao Yingchun， Huang Bo. Research on strain calibration method of fiber bragg grating sensor[J]. Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis， 2014， 36（2）：321-324.（in Chinese）

[14]石曉玲，袁慎芳，邱雷.抗電磁干擾壓電夾層優(yōu)化設(shè)計[J].計量學(xué)報， 2012， 33（5）：457-462. Shi Xiaoling， Yuan Shenfang， Qiu Lei. Optimized design for piezoelectric layer of anti-electromagnetism interference[J]. ACTAMetrologica Sinica， 2012， 33（5）：457-462.（in Chinese）

[15]嚴(yán)春霞，裘進(jìn)浩，羅俊.含金屬芯壓電纖維智能夾層制備與性能研究[J].壓電與聲光，2012，34 （3）：429-433. Yan Chunxia， Qiu Jinhao， Luo Jun. Study on preparation and performance of metal-core piezoelectric fiber SMART layer[J]. Piezoelectrics&Acoustooptics， 2012， 34 （3）： 429-433.（in Chinese）

[16]劉建，裘進(jìn)浩，常偉杰.含金屬芯壓電纖維傳感Lamb波方向性研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30 （2）：16-20. Liu Jian， Qiu Jinhao， Chang Weijie. Study of directivity of metal-corepiezoelectricfibersensingLambwaves[J]. Transducer and Microsystem Technologie， 2011，30 （2）：16-20.（in Chinese）

[17]白生寶，肖迎春，劉馬寶.智能涂層傳感器監(jiān)測裂紋的工程適用性研究[J].無損檢測，2015，37 （1）：42-44. Bai Shengbao， Xiao Yingchun， Liu Mabao. Investigation on engineering applicability of monitoring crack by smart coatings sensor[J].Nondestructive Testing，2015，37 （1）：42-44.（in Chinese）

[18]孫亞杰，袁慎芳，邱雷.基于Lamb波相控陣和圖像增強(qiáng)方法的損傷監(jiān)測[J].航空學(xué)報， 2009，30（7）：167-172. Sun Yajie，Yuan Shenfang，Qiu Lei.Structursl health monitoring based on lamb wave phased array and image enhancement[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2009，30（7）：167-172.（in Chinese）

[19]蘇永振，袁慎芳，周恒保.基于三角測量和最優(yōu)化技術(shù)的復(fù)合材料沖擊定位兩步法[J].宇航學(xué)報，2009， 30（3）：1201-1206. SuYongzhen，YuanShenfang， ZhouHengbao. Impact localizationincompositeusingtwo-stepmethodby triangulation technique and optimization technique[J]. Journal ofAstronautics， 2009， 30（3）：1201-1206.（in Chinese）

[20]王強(qiáng)，袁慎芳.復(fù)合材料板脫層損傷的時間反轉(zhuǎn)成像監(jiān)測[J].復(fù)合材料學(xué)報，2009， 26（3）：99-104. Wang Qiang， Yuan Shenfang. Time reversal imaging method for composite delamination monitoring[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2009， 26（3）：99-104.（in Chinese）

[21]劉建，裘進(jìn)浩，常偉杰.基于矩形壓電片的沖擊載荷定位新方法[J].振動、測試與診斷，2010，6 （30）：47-49. Liu Jian， Qiu Jinhao， Chang Weijie. Location of impact load using rectangular piezoelectric sensors[J]. Journal of Vibration， Measurement&Diagnosis， 2010，6 （30）：47-49.（in Chinese）

[22]邱雷，袁慎芳，張逍越.基于Shannon復(fù)數(shù)小波的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時間反轉(zhuǎn)聚焦多損傷成像方法[J].復(fù)合材料學(xué)報，2010， 27（2）：101-107. Qiu Lei， Yuan Shenfang， Zhang Xiaoyue. Shannon complex wavelet and time reversal focusing based multi-damage imaging method on composite structures[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2010， 27（2）：101-107.（in Chinese）

[23]劉國強(qiáng)，肖迎春，李明.復(fù)合材料膠接損傷的指數(shù)監(jiān)測方法研究[J].航空學(xué)報，2012，33（7）：1275-1280. Liu Guoqiang， Xiao Yingchun， Li Ming. An index method of monitoring composite debonding[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2012， 33（7）：1275-1280.（in Chinese）

[24]劉國強(qiáng)，孫俠生，肖迎春.基于Lamb波和Hilbert變換的復(fù)合材料T型加筋損傷監(jiān)測[J].復(fù)合材料學(xué)報， 2014，31（3）：818-823. LiuGuoqiang， SunXiasheng， Xiao Yingchun.Damage monitoring of composites T-joint using Lamb wave and Hilbert transform[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2014，31（3）：818-823.（in Chinese）

[25]李明，肖迎春，韓暉.包絡(luò)提取在沖擊損傷成像方法中的應(yīng)用[J].振動、測試與診斷，2014，3（2）：503-507. Li Ming， Xiao Yingchun，Han Hui.Research on impact damage imaging based on wave packet extraction[J]. Journal of Vibration， Measurement&Diagnosis， 2014， 3（2）： 503-507.（in Chinese）

[26]陳霞，肖迎春.含沖擊損傷復(fù)合材料層壓板壓縮破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)， 2013，28（2）：50-55. Chen Xia， Xiao Yingchun. Experimental investigation on compression failure mechanism of composite laminates with impact damage based on acoustic emission[J]. Journal of Experimental Mechanics， 2013，28（2）：50-55.（in Chinese）

[27]鮑嶠，袁慎芳.基于陣列傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷MUSIC成像方法[J].復(fù)合材料學(xué)報， 2017， 34（2）：452-456. Bao Qiao， Yuan Shenfang.A damage imaging method based on MUSIC algorithm of linear sensor array for composite structure[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（2）：452-456.（in Chinese）

[28]劉國強(qiáng)，肖迎春，張華.復(fù)合材料加筋板損傷識別的概率成像方法[J].復(fù)合材料學(xué)報，2018，35（2）：311-319. Liu Guoqiang， Xiao Yingchun， Zhang Hua. Probability-based diagnostic diagnostic imaging for damage identification of stiffened composite panel[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2018， 35（2）：311-319.（in Chinese）

[29]邱雷，房芳，袁慎芳.基于導(dǎo)波強(qiáng)化裂變聚合概率模型的損傷監(jiān)測方法[J].振動、測試與診斷， 2018， 38（3）：438-455. Qiu Lei， Fang Fang， Yuan Shenfang. Damage monitoring method based on guided wave enhanced fission probanility model[J]. Journal of Vibration， Measurement&Diagnosis， 2018， 38（3）： 438-455.（in Chinese）

[30]王莉，劉國強(qiáng)，肖迎春.基于線性相控陣的金屬損傷定量監(jiān)測仿真研究[J].壓電與聲光，2019，41（4）：582-585. Wang Li， Liu Guoqiang， Xiao Yingchun. Simulation study on quantitative monitoring of metal damage based on linear phased array[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics， 2019， 41（4）： 582-585.（in Chinese）

[31]王莉，肖迎春，劉國強(qiáng)，復(fù)合材料層合板損傷的延遲累加成像算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2019， 19（14）：365-370. Wang Li，Xiao Yingchun，Liu Guoqiang.Delay and sum damage imaging algorithm of laminates composite panel[J]. Science Technology and Engineering， 2019， 19（14）： 365-370.（in Chinese）（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡介

孫俠生（1962-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛行器綜合優(yōu)化設(shè)計，航空CAE軟件研發(fā)。

Tel：010-57827551

E-mail：sunxiasheng@cae.ac.cn

肖迎春（1964-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

Tel：13669232661E-mail：xiaoyc623@163.com

白生寶（1979-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

劉國強(qiáng)（1984-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

杜振華（1982-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

袁慎芳（1968-）女，博士，教授。主要研究方向：智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。

薛景鋒（1973-）男，博士，研究員。主要研究方向：傳感器技術(shù)。

Research on Structural Health Monitoring Technology of Civil Aircraft Composites

Sun Xiasheng1，*，Xiao Yingchun2，Bai Shengbao2，Liu Guoqiang2，Du Zhenhua2，Yuan Shenfang3，Xue Jingfeng1

1. Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

2. Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： Aircraft structure health monitoring technology is a technology field that will have an important impact on aircraft structure design， test and maintenance. The aviation industry of China has been paying attention to the development in this field. A joint team of domestic university， scientific research institute and aircraft manufacturer has been formed step by step to conduct in-depth research on the concept， connotation and strategy of aircraft structural health monitoring technology， sensor engineering suitability， monitoring methods， monitoring instruments， system integration and verification， and realize the application of structural health monitoring technology in aircraft structural ground strength test. The paper comprehensively introduces the research progress of the joint research team in the field of aircraft composites structure health monitoring technology.

Key Words： composite structure； aircraft structure health monitoring； sensors； damage monitoring methods； structure health monitoring system