SPHM技術在新機研制中的實踐與發展

兌紅娜 劉小冬 王勇軍 董江 張立新

摘要：新一代先進戰斗機對機體平臺的要求為輕重量、高承載、長壽命及多功能。為實現這個目標，結構故障預測與健康管理（SPHM）技術是一項亟須解決的關鍵技術，是實現由傳統的事后維修和定期維修轉向基于狀態的視情維修的重要手段。針對SPHM的主要功能、關鍵技術和系統設計與研制，本文闡述了強度設計團隊近年來在SPHM方面的研究成果、設計實踐、技術發展及后續展望。這些技術成果已成功應用于新一代戰機SPHM系統的研制。

關鍵詞：SPHM；載荷/環境譜；金屬結構損傷評估；復合材料損傷監測；腐蝕損傷監測

中圖分類號：V215.5+1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.010

近年來，隨著現代戰爭對軍用飛機任務出勤率和戰備完好率要求的提高，以及材料科學、測試技術、信號分析和人工智能技術的發展，在新一代先進戰斗機上采用故障預測與健康管理（prognostic and health management， PHM）技術的需求日益增強[1-2]。PHM技術是基于先進的傳感器/驅動器集成，綜合利用信息融合、信息處理、人工智能等技術，通過強大的故障監測、故障診斷和預測，實現自主保障能力。

新一代先進戰斗機以突出“作戰能力”“生存能力”“保障能力”和“經濟可承受能力”四大能力為標志，PHM技術是實現這些能力的重要技術基礎之一。戰機對機體平臺的研制要求為輕重量、高承載、長壽命及多功能，結構強度設計/分析/驗證技術必須提升以適應這些要求[3]，其中，結構故障預測與健康管理（SPHM）技術是一項亟待解決的關鍵技術。

SPHM系統是飛機PHM系統的重要組成部分，從早期單機壽命監控技術[4-6]發展而來。通過飛機狀態參數及傳感器數據，實時監測飛機結構使用環境（載荷、振動、溫度、腐蝕等），并對這些監測參數進行深度學習和智能分析，獲取飛機結構的使用環境和受載情況，診斷結構健康狀態，合理指導飛機使用安排和結構維護決策。采用SPHM技術是實現由傳統的事后維修和定期維修轉向基于狀態維修的重要手段，在保證結構安全性和可靠性的前提下，可有效減少維修時間和費用，同時可大幅提高飛機的戰備完好率和任務成功率。

本文針對SPHM的主要功能、關鍵技術和系統設計與研制，對強度設計團隊近年來在SPHM方面的研究成果、設計實踐、技術發展及后續展望進行闡述。

1 SPHM主要功能

飛機使用中機體結構的主要故障表現為金屬結構的疲勞開裂、斷裂、腐蝕、應力腐蝕，復合材料結構的基體開裂、纖維斷裂、分層、脫黏以及運動機構的卡滯、磨損、失效等。通過建立并不斷完善SPHM系統，應逐步實現以下功能：（1）量化評定維護/斷裂關鍵件的損傷狀態，綜合預測機體結構剩余壽命，給出單機使用調整和維修計劃調整的建議；（2）識別和記錄使用中的結構超限事件（超過載、超速、超載荷、重著陸），評估超限事件影響，并提出相應的維護方法；（3）跟蹤記錄單機結構損傷、維護、修理、更換等信息；（4）為制訂和修訂部隊結構維護計劃（FSMP）、完成和更新載荷/環境譜測量（L/ESS）、單機跟蹤（IAT）等結構完整性大綱規定的任務提供可靠的數據和維護決策建議；（5）逐步實現對復合材料結構的損傷監測和識別；（6）逐步提高對結構腐蝕狀態的檢測能力和預測準確性；（7）逐步實現對關鍵運動機構（武器艙門、起落裝置等）的健康監控和預測。

2 SPHM關鍵技術

2.1數據融合與處理分析

SPHM系統涉及多種類型的傳感器數據，除包括飛行狀態、姿態角/角速度、操縱面位置、武器信息、發動機參數、各種開關量等基本飛行參數，還包括載荷傳感器、腐蝕傳感器和損傷監控傳感器等專門的SPHM傳感器。

SPHM系統從信號提取、故障檢測/診斷和預測、狀態評估、決策支持等各個階段都需要廣泛使用數據融合技術，且需在傳感器級、特征級、決策級等多個層級上進行，以實現多層次、多角度、多參數的故障檢測和診斷以及決策命令的綜合智能化[5]。

數據處理包含對原始數據的有效性判斷、異常值檢測和修正、數據濾波與平滑（采用傅里葉分析、小波分析等）、同步采樣率、補全偽碼/缺失信號等功能。

數據分析分為在線（機上）處理和地面處理，對于簡單的故障識別和代碼可以在機上完成，前提是不增加機載設備的負擔。對于涉及大量運算的結構載荷識別、疲勞損傷評估和腐蝕壽命分析模塊，通常需在地面系統完成。

2.2結構使用載荷/環境譜獲取

獲取單機結構使用載荷的方法有應變法和飛參法[6-8]。應變法是基于應變載荷電橋數據，通過“應變—載荷”方程（通過載荷標定試驗和飛行載荷測試數據構建）獲取結構載荷歷程；飛參法是基于飛行參數，通過由神經網絡、線性/非線性回歸分析等機器學習算法[8]構建的“飛參—載荷”方程獲取結構載荷歷程。飛參法的前提是可靠性較高的飛參和載荷樣本，樣本依賴于載荷實測飛機的直接測量（應變法）結果。

目前國外各種機型采用的載荷監控方式不盡相同，大多采用以飛參法為主、應變法為輔的方式[9-10]。在飛機使用過程中，不斷積累/擴充實測飛機的飛參和載荷數據庫，后續新樣本既可用來修正和完善載荷方程，又可作為校驗樣本對載荷方程進行驗證。

為構建高精度的“應變—載荷”方程，本團隊以虛擬樣機和虛擬載荷標定作為輔助，確定應變電橋的最佳數量和方位。根據歐式空間的施密特正交化法，提出一種從設計載荷工況庫中篩選地面標定工況的有效方法，既最大限度地簡化地面試驗，又能確保載荷工況的完備性和充分性。同時采用多元回歸分析和線性修正技術，結合虛擬載荷方程和地面載荷方程，實現高精度“應變—載荷”方程的構建。

通常，采用抽取一架飛機進行專門的載荷測試改裝和地面標定試驗的途徑，獲得“應變—載荷”方程。對于在多架飛機上安裝應變載荷傳感器的情況，由于結構原材料、制造、裝配、應變片粘貼方位、黏合劑厚度、應變片自身靈敏度等差異，不同飛機在同一載荷狀態下的電橋響應通常是不同的。若每架飛機都采用復雜的地面標定試驗會大大增加實施SPHM的成本和難度，而且一次性的地面標定試驗不能解決飛機長期使用后應變輸出值的漂移問題。

為了在滿足載荷精度要求的基礎上，盡可能簡化批產飛機載荷標定試驗的規模和難度，本團隊提出一種空中載荷標定方法，通過構建單機飛參與應變實測值之間的關系，對基準飛機載荷方程進行線性修正獲取單機載荷方程，以實現“單機標定、他機可用”。若飛機在出廠前或在外場進行簡單的地面標定，空中標定可通過地面標定進行校驗和修訂。

由于飛機結構的復雜性、飛機飛行狀態的多樣性以及載荷與飛行參數之間的非線性關系，建立基于飛行參數的高精度載荷識別模型并非易事。國內外在這方面開展了大量研究，采用了神經網絡技術、回歸分析技術、機動識別技術、混合型識別技術等多種手段和方法[6-8]。

為構建高精度的“飛參—飛行載荷”方程，本團隊基于戰斗機大量實測飛參和載荷數據，從數據清洗、數據融合、數據壓縮、狀態分類和機器學習等方面展開研究，設計了完整的數據挖掘和人工智能算法系統，建立了一套基于飛行參數的結構飛行載荷獲取方法，突破了機動識別[11]（見圖1）、輸入參數優選技術[12-13]（結合多重共線性分析和逐步回歸分析方法，見圖2）以及基于遺傳算法優化的神經網絡法[14]等多項關鍵技術。

在圖2（a）中，Rxi，xj是多元線性回歸分析中自變量xi和xj的偏相關系數，Rxi，j和Rxi，y是自變量xi和因變量y、自變量xj和因變量y分別在剩余自變量（排除xi和xj）下的偏相關系數，詳細解釋參見參考文獻[13]。

在圖2（b）中，t統計量是線性回歸系數進行顯著性檢驗的統計量（服從t分布），p是t統計量對應的超越概率，α是門檻值，詳細解釋參見參考文獻[13]。

選取某架實測飛機多次飛行中若干非對稱機動在亞聲速下的實測飛參和機翼根部彎矩載荷樣本，對不同機器學習方法建模的擬合精度進行對比分析可知：在擬合精度和泛化（預測）能力方面，經遺傳算法優化的BP神經網絡法是最優的。訓練樣本擬合精度對比如圖3所示。

結構壽命監控關注的是整個載荷歷程對關鍵部位造成的疲勞損傷，而非某一時刻的載荷值。針對中機身框某關鍵部位，采用局部應力—應變法，進一步對比實測與預測載荷譜下每個起落累積疲勞損傷的差異，如圖4所示。可見兩種載荷譜下累積疲勞損傷差異小于5%。

為構建高精度的“飛參—地面載荷”方程，本團隊通過對戰斗機起落架實測載荷數據的深度挖掘，建立了一套基于飛行參數的起落架地面載荷獲取方法，不需要額外在起落架上安裝傳感器，首先采用模糊識別技術對地面典型任務段進行識別，然后采用數據挖掘技術分別構建各任務段的“飛參—地面載荷”模型。

某典型起落的主起落架載荷預測結果如圖5所示，雖然個別載荷點誤差較大，但整個載荷譜對與起落架連接的機體結構造成的疲勞損傷誤差較小。

除了常規的大部件載荷和起落架載荷，還需對發動機載荷、阻力傘載荷、油箱載荷、座艙載荷、武器投放載荷等局部載荷進行視情監測。對于如垂尾抖振、進氣道噪聲、艙門振動等局部高頻載荷，不能被飛參數據充分表征，應結合有限元模型、模態分析及相關載荷傳感器，構建動態事件模型。目前該項技術本團隊正在攻關中。

2.3金屬結構關鍵部位損傷評估

目前主要針對影響飛行安全的金屬結構疲勞/斷裂關鍵件，根據全機有限元分析、關鍵件細節應力分析和疲勞壽命分析、模擬件/部件/全機疲勞試驗、外場實際暴露的結構故障等對耐久性/損傷容限關鍵部位進行篩選。

對關鍵結構部位的損傷監控和預測，有間接監控和直接監控兩種方法[9-10]。間接監控是基于對結構所經受的疲勞載荷（通過“飛參—載荷”方程或“應變—載荷”方程獲得）的監控結果，通過分析獲得結構關鍵部位應力歷程，按疲勞理論或斷裂力學理論進行結構疲勞損傷計算和剩余壽命預測。直接監控是在結構關鍵部位布置傳感器，如應變、光纖、壓電或智能涂層傳感器，直接監控該部位的應變或損傷。在目前的技術水平下，損傷直接監控方法具有局限性，尚不具備大范圍工程應用的成熟條件，僅作為基于載荷監控的結構損傷間接監控方法的有益補充。

關于金屬結構疲勞損傷評估方法，目前尚未有一種通用的疲勞損傷模型能夠全面涵蓋疲勞壽命的所有階段和影響因素，且不同國家不同機型所采用的損傷模型和方法各有不同[15-17]。針對飛機不同結構類型及可能的疲勞/斷裂破壞模式，盡可能采用多種疲勞分析（當量、應力、應變）和基于斷裂力學的裂紋擴展方法，也采用壽命類比法[18-20]，用各單機關鍵部位應力/應變歷程，與基準載荷譜下該部位的試驗和分析結果進行對比，評估結構壽命消耗情況，預測結構剩余壽命。綜合各種分析方法的結果，給出該部位的疲勞損傷評定結論。

對于上述每種損傷模型和壽命分析方法，不同的關鍵部位有不同的損傷計算所需參數，如材料參數、幾何參數、各種損傷模型參數和修正系數等，部分參數需要通過元件/部件疲勞試驗獲得，因此，應對每個關鍵部位進行疲勞損傷評定參數化模型研究，以理論分析、模擬件試驗結果初步確定這些參數，并用部件/全尺寸疲勞試驗結果進行驗證和修正。

針對包含重復譜塊等可產生穩定裂紋擴展速率的隨機載荷譜，本團隊構建一種形式簡單的工程平均擴展速率模型，并結合經典斷裂力學模型，進一步提出速率類比法，較壽命類比法對裂紋擴展具有更強的通用性和適應性。基于結構模擬件/部件/全機疲勞試驗數據融合，提出一套采用廣義類比法（含壽命類比和速率類比）[21]的疲勞損傷評估方法，并根據不同關鍵部位特性定制耐久性和損傷容限損傷模型參數，流程如圖6所示。目前該套技術方法已應用于新機SPHM系統。此外，本團隊提出了一種基于貝葉斯理論采用Walker公式預測隨機譜下裂紋擴展曲線的方法[22]。

針對單機結構疲勞分散系數的選取，本團隊開展不同結構部位和特性的差異化分散系數和可靠性系數研究[23]。單機壽命監控中的結構可靠性系數不僅是傳統的分散系數，還應考慮載荷預測模型、疲勞損傷算法等引起的誤差。

2.4疲勞損傷表征與剩余壽命預計

關鍵結構損傷可通過當量飛行小時、壽命比、損傷度、損傷率等表征參數來確定，根據損傷表征參數，假設未來飛行載荷情況，可計算預計剩余壽命，進一步指導維修決策建議和調整飛行計劃。

對于針對結構關鍵部位的疲勞損傷評估，根據單機當前已飛起落的應力譜序列，若采用裂紋萌生類模型，可計算當前飛行小時（FH）下的累積理論損傷，將其等損傷折算到基準載荷譜下，可獲取當量飛行小時。若采用裂紋擴展類模型，可預測在單機實際使用情況下的裂紋擴展曲線，在基準擴展曲線上找到當前裂紋尺寸所對應的壽命，即為當量飛行小時，如圖7所示。

獲取當量飛行小時之后，可計算壽命比、損傷度、損傷率等其他表征參數。將單機結構關鍵部位損傷表征參數的實際值與基準值進行對比，對關鍵結構損傷程度以及單機飛行輕重程度進行評估，進一步將評估結果落實到單機乃至機群的結構壽命管理中，主要包括單機使用安排（飛行科目和使用頻次）的調整、各機隊飛機的適當調換以及單機維修計劃（檢修時間與方法）的調整。

單機壽命管理的目標[24]為：（1）合理地調整單機、機隊及機群的使用，保證單機當量飛行小時數（或疲勞損傷）與實際飛行小時數的協調增長，保證機隊及機群的使用情況滿足規定的均衡性要求；（2）根據單機實際使用情況制訂合理的部隊結構維護計劃（FSMP），保證每架飛機服役的安全性和經濟性。

2.5復合材料損傷監測

先進戰斗機復合材料用量越來越大，復合材料的損傷監測和識別是影響飛機結構完整性的一個重要方面。復合材料損傷監測常用的傳感器大體分為光纖傳感器、壓電材料傳感器以及金屬材料傳感器。在國內外近些年來的研究和試驗中，應用最為廣泛的是壓電材料傳感器[25]，包括壓電薄膜傳感器（PVDF）和壓電陶瓷傳感器（PZT）。

離散源低能量沖擊損傷是影響復合材料結構完整性的主要損傷模式。由于低能量沖擊可能發生在飛機使用、停機維護的各個階段，要全程實時監控所有復合材料結構所遭受的各種沖擊是幾乎不可能的。

對復合材料結構的損傷監測，在新一代戰機中擬采用以下技術途徑：（1）對外場使用中易遭受沖擊損傷的部位，布置基于壓電傳感器的區域沖擊監測系統，全程在線監控沖擊部位和沖擊次數，為地面檢查和維護提供依據；（2）對外場不易接近的部位（如進氣道），在復材結構內部或表面預置壓電傳感器，地面離線檢測以定位損傷，用超聲波檢測進行損傷定量。

本團隊聯合國內有關院所當前重點開展復合材料損傷監測傳感器的工程化應用以及損傷識別算法的研究。

2.6腐蝕/老化損傷監測

腐蝕/老化是飛機結構不可避免要面臨的問題，腐蝕環境還會促使和加速疲勞損傷的發生和擴展。對使用中存在較嚴酷腐蝕環境的部位，不考慮腐蝕影響的壽命評估結果是不可靠的。由于影響因素眾多，飛機結構的腐蝕和老化問題是非常復雜的，各單機腐蝕和老化狀況的分散性也高于疲勞損傷的分散性，因此，準確預測腐蝕/老化損傷是很困難的。

腐蝕和老化主要與飛機的防腐體系和使用環境相關，在對防腐體系的抗腐蝕品質有較準確的試驗評估結果，并對飛機的使用環境（包括局部腐蝕環境）有比較準確、完整記錄的前提下，通過合理的損傷預測模型，可以給出比較有價值的結構腐蝕/老化預測結果，有助于指導外場飛機的腐蝕防護和維護工作。應特別注意不斷積累同類飛機外場使用和維護中發現的結構腐蝕/老化信息，逐步完善腐蝕預測模型。

目前新一代戰機采用在易腐蝕部位布置涂層退化傳感器（CDS）并結合腐蝕監測自制件的方式，定期采集數據并對自制件腐蝕情況進行檢測，以實現對結構防腐涂層老化狀態的評估和監控。

腐蝕/老化損傷預測的技術途徑為：以電化學理論、貝葉斯理論為基礎，通過飛機服役腐蝕環境的測試和積累，以實驗室加速腐蝕/老化試驗和自然腐蝕/老化試驗相結合，建立腐蝕/老化概率預測模型；研制腐蝕損傷傳感器和涂層退化傳感器，不斷提高對腐蝕/老化預測和監控的準確性。目前該項技術本團隊正在攻關中。

3 SPHM系統設計與研制

在當前國內SPHM技術尚未成熟、結構損傷監測傳感器工程化應用成熟度較低的情況下，新一代戰機SPHM系統的設計研制思路是：充分借鑒國外SPHM技術發展路線；以目前國內在單機壽命監控和飛行載荷實測等方面已有的成熟技術為基礎；同時，組織國內有關院所對各項關鍵技術進行專項攻關；在型號研制、地面試驗、試飛和服役使用的過程中，持續開展SPHM技術的工程化應用研究，逐步實現新機SPHM系統能力的增長與成熟。

SPHM系統目前采取“在線測量、離線分析”的方式，包括機載系統和地面系統。機載系統的主要功能是實現SPHM監測數據的采集、存儲和傳輸，包括飛參數據、載荷傳感器數據和腐蝕監測傳感器數據。

機體載荷測量子系統如圖8所示，采用成熟的應變電橋來測量機體載荷。機體腐蝕監測子系統如圖9所示，涂層退化傳感器（CDS）和腐蝕監測自制件（CMC）與所監控艙位的結構材料及表面防護體系完全一致，并處于相同的局部環境。定期將地面保障設備與CDS相連，讀取并存儲機上CDS的涂層阻抗數據，判斷涂層是否失效。定期將CMC取回并進行檢測，與CDS監測結果互相驗證。

SPHM地面系統為功能分析軟件系統，屬于自主保障信息支持系統（ALISS）的一個模塊，實現包括數據綜合處理分析、結構載荷識別、超限事件分析、結構損傷評估和剩余壽命預測等功能。將機載數據下載到地面系統，結合飛機結構的設計分析資料、試驗數據、制造和使用維護信息，對飛機關鍵結構的疲勞損傷情況進行評估，診斷結構健康狀態及預測結構剩余壽命，指導制訂結構檢查維護計劃。軟件數據流如圖10所示。

采用以上章節所述的技術研究成果，對SPHM系統進行模塊開發和軟件集成，并在外場部隊部署使用。

4結論

本文闡述了強度設計團隊近年來在SPHM方面的研究成果、設計實踐及技術發展。這些技術成果已成功應用于新一代戰機SPHM系統的研制。

實現對機體結構各種故障類型的準確監控和預測是一個長期的過程，基于目前技術水平，SPHM僅針對影響飛行安全和機體結構壽命的主承力金屬結構開展故障預測和健康管理。隨著技術發展，將逐步擴大SPHM的監控范圍，實現對復合材料結構和關鍵運動機構的健康監控和預測。SPHM系統研制還會面臨越來越多的挑戰，本團隊將在技術突破和工程實踐方面不懈開展工作，為提升軍用裝備的結構健康管理水平做出更大貢獻。

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作者簡介

兌紅娜（1988-）女，碩士，工程師。主要研究方向：飛機結構疲勞強度設計與分析。

Tel：028-65020287

E-mail：duihn060379@126.com

劉小冬（1965-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛機結構疲勞強度設計與分析。

Tel：028-66329595E-mail：liuxiaodong611@126.com

SPHM Technology Practice and Development in a New Generation of Fighter

Dui Hongna*，Liu Xiaodong，Wang Yongjun，Dong Jiang，Zhang Lixin

AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute，Chengdu 610091，China

Abstract： The requirements for the airframe of a new generation of advanced fighter are light weight， high g capacity， long life and multi-function. To achieve this goal， SPHM is one of the key techniques that need to be solved， and also an important means to realize on-condition maintenance from the traditional breakdown maintenance and regular maintenance. This paper describes the research results， design practice and technical developments in SPHM by the strength team in recent years， which include the main function， key technologies and system designs of SPHM. These research results have been successfully applied to the development of a new generation of high performance fighter airframe.

Key Words：SPHM；load/environment spectrum；metal structure damage assessment；composite damage monitoring； corrosion damage monitoring