魏元雷，高飛鵬

(上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司 運(yùn)行支持部，上海 200241)

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是近年來出現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修上的新理念、新技術(shù)之一，是利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在線、實(shí)時地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況有關(guān)的信息(如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等)，結(jié)合先進(jìn)的信息處理方法和建模方法，提取結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，識別結(jié)構(gòu)的完好程度和故障信息，實(shí)時感知結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，如外部撞擊和內(nèi)部損傷等，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)評估的一種技術(shù)系統(tǒng)[1-3]。因此波音、空客等全球領(lǐng)先的民機(jī)主制造商都非常重視這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，也是我國發(fā)展大型客機(jī)迫切需要的創(chuàng)新技術(shù)之一。

波音在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面開展了大量探索性工作[4-6]，針對不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域損傷類型，研究發(fā)展了多種損傷監(jiān)測的技術(shù)手段，包括基于Lamb波的壓電(PZT，lead zirconate titanate)傳感技術(shù)、基于光纖應(yīng)力應(yīng)變分析的損傷監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射(AE，acoustic emission)監(jiān)測技術(shù)和比較真空(CVM，comparative vacuum monitoring)監(jiān)測技術(shù)等，構(gòu)建了飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本體系結(jié)構(gòu)，探索了在多個機(jī)型上采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對結(jié)構(gòu)的微裂紋及載荷進(jìn)行監(jiān)測，取得了豐富的研究成果，技術(shù)水平處于行業(yè)領(lǐng)先地位。波音于2016年6月發(fā)布服務(wù)通告允許將CVM傳感技術(shù)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的常規(guī)手段，作為737NG飛機(jī)中央翼盒前梁剪切配件裂紋的備選監(jiān)測方法。在波音777上應(yīng)用光纖布拉格光柵(FBG，fiber bragg grating)傳感器技術(shù)跟蹤溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等物理量變化的實(shí)驗(yàn)中取得了顯著成果，并在波音787機(jī)身結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用光纖監(jiān)測技術(shù)，減輕了飛機(jī)的拆卸及功能測試負(fù)擔(dān)。

空客公司在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面也開展了多年的研究[5-8]，希望把結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展為同時可以監(jiān)測飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)缺陷、損傷、應(yīng)力等的綜合健康狀態(tài)監(jiān)測手段，以作為無損檢測技術(shù)的有效補(bǔ)充，并逐步替代飛機(jī)的定期維護(hù)。為了應(yīng)用基于壓電傳感的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷進(jìn)行監(jiān)測，空客開展了數(shù)年的研究和試驗(yàn)工作并以A350客機(jī)為載體進(jìn)行了飛行測試。為A350和A380開發(fā)了尾部撞擊提示系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝了兩套裂紋傳感器，監(jiān)測起飛時飛機(jī)尾部是否與地面發(fā)生接觸。另外一個例子是空客為A400M提供了一項(xiàng)可供選裝的全壽命監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用應(yīng)變片測量并記錄飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷，包括過載和硬著陸?？湛脱芯苛顺Ｓ玫慕Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，并統(tǒng)計(jì)了不同損傷和缺陷可以應(yīng)用的技術(shù)，形成了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)“工具箱”。

從波音和空客的SHM研究規(guī)劃來看，都是先實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)過程中的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)載荷、關(guān)鍵構(gòu)件或連接部位區(qū)域損傷、腐蝕監(jiān)測技術(shù)的熟化和信心建立，作為無損檢測的補(bǔ)充；再進(jìn)一步發(fā)展為在役飛機(jī)的在線監(jiān)測，持續(xù)推進(jìn)視情維護(hù)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對于主制造商和航空公司來說，此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，有助于其實(shí)時掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)信息，從而提高飛機(jī)運(yùn)營的安全性和經(jīng)濟(jì)性，減少甚至避免因結(jié)構(gòu)損傷而造成的飛機(jī)重大事故的發(fā)生概率。

目前我國民用飛機(jī)研制剛剛起步，民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的體系架構(gòu)還沒有建立。因此需要通過開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)研究，形成合理可行的規(guī)范化的系統(tǒng)架構(gòu)，從而為后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)研制奠定基礎(chǔ)。

1 飛機(jī)SHM系統(tǒng)的要求

理想的飛機(jī)SHM系統(tǒng)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地早期發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生或損傷的出現(xiàn)，能夠確定損傷的位置和損傷程度，能夠評估結(jié)構(gòu)的安全性，預(yù)報(bào)受損結(jié)構(gòu)的剩余壽命。對工程應(yīng)用的SHM系統(tǒng)的要求是SHM系統(tǒng)在全壽命期內(nèi)的所有使用條件下都能保證系統(tǒng)的可靠性、耐久性和可維護(hù)性外， 還要求SHM系統(tǒng)新的監(jiān)測能力必須和適航規(guī)章兼容。具體的要求可表述為：

1)系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時監(jiān)測功能，具有損傷趨勢推理分析及預(yù)測的功能，可以對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、識別和推理；2)系統(tǒng)應(yīng)具有智能診斷功能，損傷特征信號傳送到損傷診斷知識庫，可實(shí)現(xiàn)自動診斷和針對不同類型損傷的評定功能；3)系統(tǒng)應(yīng)具有維護(hù)決策功能。

為了確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性，一般來說，對金屬結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測的損傷類型是：

1)裂紋萌生(位置和大小);

2)裂紋擴(kuò)展(位置和尺寸);

3)意外損傷(位置和強(qiáng)度);

4)腐蝕(位置和嚴(yán)重程度);

5)載荷/應(yīng)變分布(位置和強(qiáng)度)。

對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測的損傷類型是：

1)沖擊(位置和沖擊力或沖擊能量);

2)層板的分層(位置和尺寸);

3)共固化/共膠接元件和夾層結(jié)構(gòu)芯子/面板的脫粘(位置和尺寸);

4)夾層結(jié)構(gòu)的水浸入(位置和強(qiáng)度);

5)載荷/應(yīng)變分布(位置和強(qiáng)度)。

為推動飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，SAE成立的國際航空工業(yè)SHM指導(dǎo)委員會(AISC-SHM,aerospace industry steering committee on structural health)截至目前已發(fā)布3項(xiàng)[9-11]，涉及了固定翼和旋翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)施、損傷檢測能力評估分析、適航要求。

ARP6461提供了固定翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)施指南，適用于SHM的定義、開發(fā)和認(rèn)證。

AIR6892提供了旋翼飛機(jī)SHM技術(shù)的定義、開發(fā)、集成、認(rèn)證和部署方面的指導(dǎo)。重點(diǎn)解決旋翼飛機(jī)上實(shí)施SHM的獨(dú)特性，沒有重復(fù)ARP6461中的通用部分。

ARP6821提供了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)損傷檢測能力評估指南。本指南將給出了量化評價方法，評價SHM系統(tǒng)的能力。

AIR6245給出了軍方和工業(yè)方關(guān)于SHM的要求與難點(diǎn)，幫助SHM系統(tǒng)開發(fā)人員理解軍方發(fā)布的大量適航規(guī)章、要求和標(biāo)準(zhǔn)。

2 飛機(jī)SHM 的主要參數(shù)分析

2.1 載荷/環(huán)境譜監(jiān)測

載荷/環(huán)境譜(包括意外沖擊載荷)監(jiān)測的目的是檢查飛機(jī)是否在設(shè)計(jì)的包線內(nèi)飛行，主要監(jiān)測參數(shù)是：

1)基于飛行參數(shù)的載荷平衡監(jiān)測;

2)基于傳感器的載荷和應(yīng)力平衡監(jiān)測;

3)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)溫度/濕度監(jiān)測，并與設(shè)計(jì)許用值比較，記錄并評估可能產(chǎn)生的影響。

2.2 關(guān)鍵部位應(yīng)變場監(jiān)測

應(yīng)變場監(jiān)測的目的是檢查結(jié)構(gòu)的應(yīng)變是否在設(shè)計(jì)許用值之內(nèi)和基于應(yīng)變場的載荷反演，主要監(jiān)測參數(shù)是：

1)關(guān)鍵部位應(yīng)變場是否在設(shè)計(jì)許用值之內(nèi)，特別關(guān)注指定的應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)的應(yīng)變，如果某個部位的應(yīng)變出現(xiàn)突變狀況，記錄并對事件進(jìn)行離線確認(rèn)和提煉，根據(jù)應(yīng)變突變事件的類型和程度，評定可能產(chǎn)生的影響。

2)如果預(yù)判可能產(chǎn)生裂紋，進(jìn)行離線確認(rèn)，若已出現(xiàn)裂紋，評定裂紋的影響，根據(jù)評定結(jié)論制訂裂紋擴(kuò)展跟蹤監(jiān)測方案。

3)如果預(yù)判可能未出現(xiàn)裂紋，修正預(yù)判準(zhǔn)則，并對該監(jiān)控點(diǎn)的應(yīng)變繼續(xù)跟蹤監(jiān)測。

2.3 關(guān)鍵部位損傷監(jiān)測

1)關(guān)鍵部位損傷監(jiān)測的目的是保證不同類型結(jié)構(gòu)的完整性，對按安全壽命設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如起落架，由于在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)不允許出現(xiàn)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的裂紋，因此選擇適合起落架材料的裂紋監(jiān)測方法。

2)對于破損安全結(jié)構(gòu)，允許出現(xiàn)裂紋，但大多為隱藏裂紋，根據(jù)監(jiān)測部位選擇合適的監(jiān)測方法。

3)對于損傷容限結(jié)構(gòu)，監(jiān)測裂紋的起始和擴(kuò)展，根據(jù)監(jiān)測部位選擇合適的監(jiān)測方法。

4)金屬腐蝕監(jiān)測策略主要側(cè)重于剛開始腐蝕的早期檢測，監(jiān)測參數(shù)包括腐蝕點(diǎn)位置、腐蝕坑深度和面積比率、腐蝕總面積比率等。

5)離散源損傷，民機(jī)主要是鳥撞和跑道碎石沖擊，對于金屬結(jié)構(gòu)一般目視可檢。

6)目前復(fù)材結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的脫粘/分層，機(jī)械連接部位的擠壓分層等。

7)復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)意外損傷主要是低能沖擊損傷，主要監(jiān)測參數(shù)為沖擊位置、沖擊能量或荷載大小、損傷尺寸等。

2.4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器的選取

傳感器是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)來源，其性能和分布形式等將直接影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用效果。由于沒有一種傳感器可以兼顧到所有的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷類型，某種類型的傳感器只能感應(yīng)特定的損傷類型，因此要首先了解不同類型損傷的典型特征和損傷機(jī)理，選擇最適于檢測這類損傷的傳感器。表1給出目前可應(yīng)用的各類傳感技術(shù)的功能，其中FBG、PZT、CVM和AE等傳感技術(shù)發(fā)展較為成熟，已從實(shí)驗(yàn)室演示驗(yàn)證走向結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)驗(yàn)證和飛行狀態(tài)下的測試。傳感器的選擇可以根據(jù)其監(jiān)測的損傷類型以及監(jiān)測部位確定。

表1 各傳感器技術(shù)的功能表

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)是對現(xiàn)役飛機(jī)實(shí)時地獲取與結(jié)構(gòu)健康有關(guān)的信息，診斷和預(yù)判飛機(jī)的健康狀態(tài)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，確定后續(xù)的維修計(jì)劃[12-13]，以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性和飛行安全。其運(yùn)行模式有兩種：一是在線監(jiān)測，二是離線檢測。

要使飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)要達(dá)到上述應(yīng)用目標(biāo)，所涉及的數(shù)據(jù)包括：

1)飛機(jī)結(jié)構(gòu)信息(包括部件區(qū)域劃分，框、肋站位信息)，需要監(jiān)測的關(guān)鍵部位的元件、或部件的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸(或CAD模型)、所用材料、載荷、應(yīng)力設(shè)計(jì)許用值等數(shù)據(jù)；

2)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括材料、元件、組件、部件的靜力、動力、耐久性/損傷容限等)；

3)監(jiān)測點(diǎn)布置信息：包含3個方面，一是監(jiān)測點(diǎn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的位置信息，二是測量類型信息，如載荷、應(yīng)變、以及測量數(shù)據(jù)的分類信息，三是該點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的閾值；

4)傳感器信息：傳感器型號、功能、性能等參數(shù)，具體的參數(shù)設(shè)置要能滿足監(jiān)測點(diǎn)傳感器選擇和數(shù)據(jù)處理的要求；

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)：載荷、應(yīng)變、損傷。除了測量數(shù)據(jù)本身應(yīng)設(shè)置的屬性外，可以通過測量點(diǎn)關(guān)聯(lián)變量建立與測量點(diǎn)布置信息的關(guān)系。

基于上述飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷或缺陷監(jiān)測對象、監(jiān)測參數(shù)和數(shù)據(jù)需求，設(shè)計(jì)了民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架，如圖1所示，可以看出，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)健康實(shí)時監(jiān)測子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)損傷維修支持子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康分析子系統(tǒng)三部分組成。當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時，健康監(jiān)測系統(tǒng)主要通過機(jī)載的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，并通過ACARS系統(tǒng)將重要的結(jié)構(gòu)信息發(fā)送到地面。地面系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)對這些數(shù)據(jù)信息的收集處理、結(jié)構(gòu)損傷分析評估、健康狀態(tài)分析工作，幫助航空公司實(shí)時掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性信息。

3.1 結(jié)構(gòu)健康實(shí)時監(jiān)測子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康實(shí)時監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息收集與處理整個民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，主要包括ACARS報(bào)文解碼器、信息收集以及信息處理3個模塊。系統(tǒng)需要實(shí)時接收空地鏈路下傳的報(bào)文，并根據(jù)報(bào)文具體格式定義進(jìn)行解碼，然后將解碼后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，報(bào)文源文件則保存在文檔服務(wù)器中。在報(bào)文解碼完成的同時，系統(tǒng)自動將解碼報(bào)文發(fā)送給需要的模塊或系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

ACARS報(bào)文解碼器模塊主要實(shí)現(xiàn)ACARS報(bào)文的解碼功能，報(bào)文接收者在收到報(bào)文后，要首先對報(bào)文進(jìn)行解碼才能讀取報(bào)文中的相關(guān)信息。接收飛機(jī)飛行中經(jīng)ACARS鏈路數(shù)據(jù)等實(shí)時下傳的數(shù)據(jù)，一方面實(shí)時解析和存儲，另一方面?zhèn)鬏斨料到y(tǒng)各業(yè)務(wù)模塊調(diào)用。同時，該模塊還通過ACARS鏈路實(shí)現(xiàn)對命令的配置和編碼上傳。

信息收集模塊主要實(shí)現(xiàn)對所接收到的信息按照預(yù)先設(shè)定的類別進(jìn)行分類收集和存儲，包括結(jié)構(gòu)實(shí)時受力信息、結(jié)構(gòu)實(shí)時載荷信息、結(jié)構(gòu)實(shí)時損傷信息等。

信息處理模塊主要實(shí)現(xiàn)對所搜集到的不同類別的信息進(jìn)行處理，主要處理方式包括結(jié)構(gòu)信息的過濾與郵件分發(fā)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)/損傷的分級報(bào)警、MEL/CDL/SRM手冊關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)損傷信息的歸類存儲。

3.2 結(jié)構(gòu)損傷維修支持子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)損傷維修支持子系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)損傷/修理評估模塊、維修決策支持模塊、維修案例管理模塊組成。子系統(tǒng)內(nèi)部工作流程如下：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時監(jiān)測子系統(tǒng)輸入的結(jié)構(gòu)損傷信息自動調(diào)用帶損傷結(jié)構(gòu)建模模塊進(jìn)行損傷結(jié)構(gòu)建模。

2)系統(tǒng)自動調(diào)用結(jié)構(gòu)完整性分析模塊對帶損傷結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評估。

3)若帶損傷結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)完整性要求，則得出不修理的結(jié)論，直接轉(zhuǎn)到第10步。

4)若帶損傷結(jié)構(gòu)不滿足結(jié)構(gòu)完整性要求，則進(jìn)行修理方案設(shè)計(jì)。

5)調(diào)用結(jié)構(gòu)修理方案支持模塊和維修案例管理模塊進(jìn)行輔助修理方案設(shè)計(jì)。

6)系統(tǒng)自動調(diào)用修理后結(jié)構(gòu)建模模塊，根據(jù)上一步設(shè)計(jì)得到的修理方案，進(jìn)行修理后結(jié)構(gòu)建模。

7)系統(tǒng)自動調(diào)用結(jié)構(gòu)完整性分析模塊對修理后結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評估。

8)若修理后結(jié)構(gòu)不滿足結(jié)構(gòu)完整性要求，則回到第5步重新設(shè)計(jì)維修方案，直至修理后結(jié)構(gòu)可通過結(jié)構(gòu)完整性評估。

9)若帶修理后結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)完整性要求，則結(jié)束維修方案設(shè)計(jì)。

10)生成結(jié)構(gòu)損傷的維修預(yù)案及維修方案實(shí)施后的新案例的編輯入庫。

3.2.1 結(jié)構(gòu)損傷維修支持模塊

結(jié)構(gòu)損傷/修理評估模塊內(nèi)部功能架構(gòu)如圖2所示，該模塊具備3個功能：帶損傷結(jié)構(gòu)建模、修理后結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)完整性分析，后續(xù)可拓展到其他結(jié)構(gòu)分析功能，如疲勞、動力學(xué)分析、適航性評估分析等，為結(jié)構(gòu)修理決策提供依據(jù)。該模塊內(nèi)部工作流程說明如下：

1)從系統(tǒng)的損傷信息收集與管理模塊得到損傷信息。

2)若該損傷信息的狀態(tài)為未處理，則自動建立修理項(xiàng)目。

3)修理項(xiàng)目的定義包括損傷部件及其分析區(qū)域的自動選擇、損傷單元的定義。損傷單元的定義包括損傷位置的確定、損傷單元有限單元集合的確定、損傷類型和損傷參數(shù)的定義。

4)建立修理前損傷部件的有限元模型，同時支持調(diào)用結(jié)構(gòu)維修方案設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行維修方案設(shè)計(jì)，進(jìn)而建立修理后損傷部件的有限元模型。

5)進(jìn)行有限元模型分析計(jì)算，讀取計(jì)算結(jié)果，判斷結(jié)構(gòu)是否失效。

圖2 結(jié)構(gòu)損傷/修理評估模塊功能架構(gòu)

3.2.2 結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)模塊

結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)模塊用于針對不同的損傷類型篩選出合適的修理類型，建立各種修理類型的程序模型，修理類型及其對應(yīng)修理參數(shù)的定義，修理類型及其對應(yīng)修理參數(shù)的輸出。結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)模塊功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)模塊功能架構(gòu)

1)修理類型集合存儲各種損傷類型對應(yīng)的修理類型/工藝。如：針對機(jī)身蒙皮的裂紋，則對應(yīng)修理類型/工藝為裂孔法、止裂加強(qiáng)法等；

2)系統(tǒng)根據(jù)輸入的損傷信息自動檢索損傷修理類型，選定具體的修理類型；

3)根據(jù)選定的修理類型，建立相應(yīng)的程序模型，并進(jìn)一步定義具體的修理參數(shù)，完成結(jié)構(gòu)修理方案的定義。如：采用止裂加強(qiáng)法修理機(jī)身蒙皮裂紋時，須定義補(bǔ)片的材料、外形尺寸、鉚釘排列及間距等具體的維修參數(shù)；

4)存儲并輸出以上分析所得的損傷類型及修理方案的具體參數(shù)。

3.2.3 維修案例管理模塊

維修案例管理模塊用于存儲飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修案例，維修案例來源于統(tǒng)計(jì)所得的各航空維修單位的飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修記錄，包括損傷信息、維修方案、維修效果等內(nèi)容。維修案例管理模塊功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 維修案例管理模塊功能架構(gòu)

維修案例數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容可被調(diào)用，主要用于對相似結(jié)構(gòu)損傷修理進(jìn)行維修方案輔助設(shè)計(jì)；與此同時，系統(tǒng)生成的結(jié)構(gòu)維修方案也可在得到航空公司的良好回饋后，亦可添加到維修案例數(shù)據(jù)庫中，以充實(shí)案例。也可根據(jù)回饋對現(xiàn)有案例進(jìn)行修改、保留或刪除，以擴(kuò)充維修案例的適用范圍。該模塊主要功能：

1)將新的結(jié)構(gòu)損傷表達(dá)為新的維修案例即創(chuàng)建新維修案例；

2)根據(jù)損傷信息計(jì)算相似度，根據(jù)相似度查詢/檢索飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修案例庫，輸出材料類型相同、損傷類型相同、損傷部位類似、損傷結(jié)構(gòu)相似的具有較高相似度的維修案例并參考相似度較高的現(xiàn)有維修案例輔助損傷維修方案的制定；

3)根據(jù)獲取的維修案例可對現(xiàn)有案例進(jìn)行編輯，如修改、保留或刪除，以擴(kuò)充維修案例的適用范圍。

3.3 健康分析

結(jié)構(gòu)健康分析主要包括飛行數(shù)據(jù)譯碼模塊、單機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析模塊以及機(jī)隊(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析模塊。

飛行數(shù)據(jù)譯碼模塊主要實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)記錄器數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼的功能。飛機(jī)的數(shù)據(jù)記錄器主要包括QAR、DAR、SAR和DFDR。這些數(shù)據(jù)只有是飛機(jī)在空中實(shí)時記錄的。在飛機(jī)落地后，地面維護(hù)人員通過無線網(wǎng)絡(luò)、讀卡器或者維護(hù)筆記本將其中的數(shù)據(jù)下載到本地。

單機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析模塊主要實(shí)現(xiàn)單機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的自動分析、結(jié)構(gòu)意外損傷事件分析、結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)趨勢、結(jié)構(gòu)參數(shù)超限分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)分級預(yù)警等功能，其具有靈活的可編程性。

機(jī)隊(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析模塊則主要實(shí)現(xiàn)通過統(tǒng)計(jì)所有飛機(jī)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，對全機(jī)隊(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用圖表和報(bào)表的形式形成專門的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測報(bào)告。同時，也具有很強(qiáng)的可編程性，可以根據(jù)研究需要不斷添加新的功能。

4 原型系統(tǒng)測試驗(yàn)證

基于上述SHM系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了具備基本功能的原型系統(tǒng)，用于驗(yàn)證系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。原型系統(tǒng)在功能方面主要實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)ACARS報(bào)文數(shù)據(jù)解碼、實(shí)時信息收集以及信息處理、結(jié)構(gòu)損傷/修理評估、結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)、維修案例管理、單機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分析等功能的演示驗(yàn)證。

為對原型系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，從航空公司收集了若干航線真實(shí)ACARS報(bào)文數(shù)據(jù)和上海交大復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為驅(qū)動原型系統(tǒng)演示運(yùn)行的源數(shù)據(jù)。驗(yàn)證了系統(tǒng)對源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼處理，并利用復(fù)材結(jié)構(gòu)沖擊損傷監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)損傷/修理評估、結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)等各個子系統(tǒng)功能和相關(guān)演示功能模塊的調(diào)用。試驗(yàn)驗(yàn)證顯示，原型系統(tǒng)能夠正確接收并解碼飛機(jī)數(shù)據(jù)、處理結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，迅速判斷該結(jié)構(gòu)損傷是否需要進(jìn)行修理，對損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度評估，如需要修理，則輔助生成修理方案，驗(yàn)證了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和架構(gòu)設(shè)計(jì)。表明了上述民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)國際研究現(xiàn)狀，論述了民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測的金屬結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷載荷、部位、損傷類型，以及理想SHM系統(tǒng)的要求。給出了民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即首先要根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對象和應(yīng)用場景，明確損傷或缺陷監(jiān)測需求和參數(shù)；再根據(jù)需求選擇最適于檢測這類損傷的傳感器監(jiān)測方法；最后提出有針對性的監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，給出了民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)，開發(fā)了具備基本功能的SHM原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SHM系統(tǒng)的基本目標(biāo)需求。

通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證，從而表明了本文提出的民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能分配的可行性和合理性，形成的相關(guān)技術(shù)成果可為我國民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)研制提供參考。發(fā)展定量化和高可靠性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，從離線監(jiān)測到在線實(shí)時監(jiān)測，從實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證到實(shí)際飛行環(huán)境的驗(yàn)證，建立集先進(jìn)傳感技術(shù)、診斷與預(yù)測為一體的實(shí)時化、集成化、智能化的民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，是我國民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的共同目標(biāo)。