復合材料結構健康監測技術在飛機中的運用

蔣平清

摘 要：隨著經濟全球化的發展，以及全球性信息產業技術的不斷更新，在工程設計與工程的使用方面，復合材料的相關健康監測已經實現了技術性的跨越。結構健康監測也就是SHM，在工程建設中的符合性材料的使用中應用相當之廣泛，這種技術的出現以及持續的更新，使得在相關工程建設中的智能結構的設計、制造與生產不再是虛幻，尤其是在飛機制造行業中的應用，更是越來越多。該篇文章首先從復合型材料結構健康監測技術在飛機中的應用進行論述，并且論述了當前復合型材料健康檢測技術所面臨的技術性問題。健康檢測技術使得飛機中所使用的復合材料能夠實現酌情的維修，并且在飛機的運行使用周期內能夠從某種程度上降低飛機的維修成本。

關鍵詞：復合材料 健康檢測技術 SHM 飛機 損傷檢測

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0149-02

在飛機制造行業中，碳纖維復合材料被廣泛的應用進來，尤其是在波音系列的飛機制造中，類似于碳纖維的復合型材料的應用占整個飛機質量的百分之十幾到50%左右不等；在A380中，類似碳纖維的復合型材料也會被廣泛的應用。復合型材料被廣泛的應用在飛機結構件中的最主要的原因就是由復合型材料通過加工制造而形成的結構件在失效之前基本不會發生任何變形，至于復合型材料的構建內部所發生的變化不能通過敲打或者是目測來進行判斷，經過監管研究人員的不懈努力，結構健康監測技術被研發并且應用在復合型結構件的損傷檢測中，這種檢測技術又被稱為實時在線結構健康監測系統（SHMS），并且得到了相當廣泛的應用。

1 結構健康監測技術概述

當前，結構健康監測技術在飛機的地面結構強度、疲勞試驗以及裝機后的離線測試中被應用并得到一些較好的效果。在2014年左右，空客公司以及波音公司這世界上馳名的飛機制造公司開始計劃著進行在役飛機的在線監測，并且計劃在2018年之前實現對飛機整體結構的健康監測。我國從20世紀90年代中期開始，首先在“863”航空高科技計劃中投入大量資金，其主要的目的就是進行大型復雜結構體系健康性的自我診斷等相關技術的研發。目前，在我國的一些高校的研究基地，例如南京航空航天大學以及華中理工大學等以及取得了相當可觀的效果，在自適應復合材料、光纖結構自診斷、神經網絡的損傷定位技術等都已經研究出相當重要的結論。由于我國的一些相關的技術水平相對于西方國家來說還不夠醇熟，所以在進行復合材料結構的相關方面只是進行了初步的探析與試驗的驗證，還沒有太多的技術能力進行進一步深入的研究。

結構健康監測技術的觀念主要來源于仿生學理論，是經過相關的專家研究之后將信息科學技術與材料科學技術相融合的結果，這項技術主要是將嵌入式的傳感器或者是表面黏貼式的傳感器作為系統的神經傳輸結構，通過傳感器的相關感應功能將一些結構件的內部缺陷或者是損傷進行感知或者是預報。根據最基本的層次上來說，監控是采用某一種技術手段針對系統的結構進行監測，并且通過相關數據的分析，以及系統的相關相應診斷系統發生的某種形式的變化，針對機構性的變化進行針對，看變化是會否影響系統的正常工作，并且針對結構的變化對系統提出相關的建議。相對來說，質量較好并且相對理想的結構健康監測系統能夠在系統的結構件發生變化的初期就能發現問題，并且準確判斷出相關問題或者損傷的位置，以及問題或者損傷的嚴重程度，并且針對結構件損傷針對系統安全性的影響進行分析，并且預測損傷結構件的最長使用周期。

從飛機長期運行發展的角度以及相關的飛機技術研發的前景來考慮，飛機結構健康實時監測系統能夠為相關新技術的研發以及飛機運行的可靠性提供強有力的技術參數。飛機結構健康實時監測系統的使用，能夠在某種程度上避免飛機復合材料結構的裕度設計，從而降低飛機制造的相關成本，減輕飛機機身的重量，保證飛機的可靠安全運行。

2 結構健康監測技術的結構及應用

2.1 結構健康監測技術結構

目前結構健康監測技術已經發展的比較成熟，對其進行監測的方法也有很多，在眾多的方法當中，根據震動進行結構健康監測技術的實時監測、根據裂紋檢測的結構健康監測技術實時監測以及根據應力的結構健康監測技術實時監測是最常見也是使用最廣泛的檢測系統。圖1是結構健康檢測系統的整體流程框圖，電源模塊產生激勵，然后經過傳感器進行相關信號感應，進行信號的采集，最后進行損傷的識別并且進行輸出。

根據震動進行結構健康監測技術的實時監測主要是通過檢測震動信號的儀器比如加速度傳感器，壓力電流轉換傳感器以及光纖傳感器等儀器對飛機的整體結構上的實時震動信號進行采集并反饋給檢測系統，實現對飛機所有部位的監測，并對反饋的信號進行分析來識別飛機結構是否有損傷。常見的根據震動進行實時監測的系統的主要依據是基于主動和被動應力波之間的相互關系進行結構健康監測。除此之外還有好多方法也是根據震動進行結構健康監測的實時監控的，比如說利用阻抗大小變化、結構動態變化信號和隨機遞減等方法也能對結構健康監測進行實時監控?；诒粍討ΣㄟM行檢測最常見的方法就是聲波法，他利用飛機表面受到應力而產生結構變化時所發出聲波發射信號與反射信號之間的關系來進行監測，當飛機表面結構發生變化時，聲波的反饋信號也會及時的發生變化，對反饋回來的聲波信號進行分析，就可以判斷飛機材料是否有損傷。利用主動應力波的檢測就相對復雜，整個系統中要有完整的監測體系，包括信號發生裝置、信號的采集、分析、處理裝置，被測物體必須能良好的接收信號發射裝置所發出的信號源。但飛機的結構巨大，產生的信號不好回收采集，所以這種方法的應用并不廣泛。

根據裂紋檢測的結構健康監測技術實時監測現在應用比較廣泛的就是比較真空檢測技術。它主要是先將飛機表面進行覆蓋將其變成一個比較密閉的空間，然后對該空間進行抽真空處理，如果某個地方的真空度發生了變化，則說明此處的飛機表面有變化，可能存在裂紋。再利用光纖傳感器識別并判斷裂紋存在的位置，技術成熟的還可以檢測出裂紋的長度。

然而根據應力的結構健康監測技術實時監測方法是最普通的，它的發展前景也不及前兩種存在著那么大的潛力。這種方法主要是利用壓力傳感器對飛機受到損傷時表面結構的變化以及應力的變化信號進行收集，反饋給分新系統判斷損傷的位置。這種方法存在著好多弊端，比如壓力信號不宜采集而且信號不準確存在較大的誤差，而且壓力傳感器自身也需要使用電能，系統的損耗比較大。再就是應力系統十分龐大，線路復雜，對飛機內部的布線有很大影響，而且也存在著巨大的安全隱患也不利于以后的維護。這種技術已經逐漸在被光纖技術淘汰。

復合材料應為其特殊的材質和結構組成導致他的耐壓能力不強，不能抵抗較強的外力影響。這也極大的約束了復合材料在飛機上的使用?，F有的復合材料在飛機上的應用也往往不能發揮復合材料的最大極限，設計時往往只利用了1/3的使用能力，這是復合材料現在與金屬材料相比的最大弱勢。金屬材料的耐壓利用率往往在60%以上。所以復合材料的結構健康檢測技術在飛機上的應用是十分必要的，他大大的提高了復合材料的使用效率，是復合材料與金屬材料相比質量輕，性能好的特點得到更大的發揮。

2.2 結構健康監測技術的探傷預測系統在復合型材料飛機中的應用

結構健康監測技術的探傷預測系統在整個系統中起著至關重要的作用，是整個系統的重要組成部分，它主要包括飛機結構的損傷診斷、損傷預測以及剩余壽命判斷與預測三個模塊。該系統首先根據飛機制造時所采用材料的力學性能以及受重能力損壞邊界等條件利用自身設計的系統進行損傷的判斷，然后利用一系列的數學模型對材料的剩余壽命進行計算。最后依據材料的損傷程度、材料的自身性能預測材料是否受損。結構健康監測技術必須建立探傷預測系統，由于這個系統相對復雜，技術難度高，以前總被工程師們忽視。但是該系統的存在能大大的提高結構健康監測技術的智能性，使其工程價值與市場價值大大提高。而且現在高智能的傳感器相繼出現，攻克這種技術難關已經不是那么遙不可及的任務了。所以講結構健康監測技術應用在復合型材料的飛機中能夠準確針對材料的損傷做出預期的判斷

2.3 結構健康監測技術的探傷診斷系統在復合型材料飛機中的應用

要建立結構健康監測技術的探傷診斷系統首先就要建立一個精確度非常高的標準模型，一個完整的數據運算與處理網絡和一個精確的基準數據庫。該系統首先利用一系列的傳感器將飛機表面的受力信號，位置信號等一系列采集好的信號傳送給信號分析網絡，該網絡對信號進行演算、處理，最后與標準的基準庫進行比較確定材料是否受損。在這里，基準庫的準確性非常重要，它直接決定了整個探傷系統的準確性，也是約束系統的條件之一。但是隨著現在科技的發展，已經有人嘗試著利用大數據統計的方法進行診斷，這樣就不用依賴于單一的數據庫了，而且精確性也會大大提高。一個精確的探傷診斷系統是決定整個結構健康監測技術系統穩定性好壞的重要依據，他也決定了整個系統是否能夠投入使用，所以必須建立一個精確度極高的探傷診斷系統。將結構健康監測技術的探傷診斷技術應用在復合型材料的飛機中能夠有效診斷出材料的損傷程度。

2.4 復合材料的結構健康監測技的設計與投放在飛機中的應用

利用以上的原理，設計師們已經設計出了適合復合材料的結構健康檢測技術，但是目前國際上對該技術的檢測缺乏標準，導致設計師們在設計之初出于對安全的考慮，對復合材料能載荷能力只設計在其極限能力的30%，我們也只能利用一系列的試航實驗來對系統進行審核。所以在投放過程中，我們先取得了適航的認證，這個過程比較漫長，因為我們對復合材料的審核能力沒有像對金屬材料審核的那么規范，那么成熟。我們現有的審核標準也相對的保守。所以構建一個適航的復合材料的結構健康監測技術對以后復合材料在飛機上的應用起著積極的推進作用。

2.5 結構健康監測技術的實時監控系統在 復合材料飛機中的應用

結構健康監測技術的實時監控系統在飛機上的應用，使得復合材料飛機的穩定性極大的提高了，也使得對復合材料的利用率可以嘗試提高，穩定的監控系統能及時的反映出飛機在行駛過程中存在的問題，利用這些信號幫助設計師們完善對飛機的設計，這可以極大的減少飛機種金屬材料的使用，大大的減輕重量，節約能源。

2.6 結構健康監測技術在復合材料飛機的維修方面應用

因為復合材料結構特殊，性能高，所以其使用成本也非常高，所以復合材料的維護也就起到了節約成本，提高使用效率的作用。目前，我們出于對復合材料換件費用極高，長途運輸耽誤時間的角度考慮，往往采用膠接的方法對復合材料進行維修。結構健康監測技術在復合材料飛機上的應用能夠實現對受損部位的預測，以及損壞部位的判斷，極大的幫助了工程師們提高在修理方面的效率。

3 結語

結構健康監測（SHM），在飛機行業中的應用會越來越廣泛，這種技術的出現以及持續的更新，使得在相關工程建設中的智能結構的設計、制造與生產不再是虛幻，尤其是在飛機制造行業中的應用，更是越來越多。該文從當前發展情況入手，闡述了具體的應用方式，旨在提升應用效率，使其更好的發展。

參考文獻

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