“懸絲診脈”之飛機結構健康監(jiān)測

王軍朋

在電視劇中，經常看到御醫(yī)為娘娘、公主們診病，不能直接望、聞、問、切，只能用絲線一端固定在病人的脈搏上，御醫(yī)通過絲線另一端的脈象診治病情，俗稱“懸絲診脈”。

古時的“懸絲診脈”不知是真是假，而今，確切的“懸絲診脈”已重現江湖。

在航空領域，為了解決“內傷診斷，防止帶病上場”的問題，美軍在F-35研制任務中明確了故障預測與健康管理（PHM）的技術要求。隨后，世界各國相繼在不同型號飛機研制中也提出PHM的技術要求，一時間，PHM成為世界各國航空領域的研究熱點。而結構PHM作為飛機PHM的重要組成部分，其重要實施途徑正是傳說中的“懸絲診脈”，官名為結構健康監(jiān)測技術。

飛機結構健康監(jiān)測技術是指利用與結構集成一起的傳感器或驅動器網絡系統(tǒng)實現對飛機結構健康狀況進行監(jiān)測的綜合技術。通過傳感器及網絡采集與結構健康相關的參數信號，建立結構健康狀態(tài)特征參數與傳感器信號之間的關系模型，從而獲取結構的狀態(tài)信息（如應力、應變、溫度、損傷等），再結合先進的力學建模方法和結構耐久性/損傷容限分析技術，對飛機結構的壽命和損傷狀態(tài)進行評估，從而實現對結構健康狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。結構健康監(jiān)測技術可以使飛機結構有效實施“視情維護”策略，對提高結構效率和降低維護成本有巨大的應用潛力。簡而言之，就是利用聲光電磁等物理原理，實現結構完整性（大健康）監(jiān)測與評估的統(tǒng)稱。

中國飛機強度研究所作為我國在航空領域開展結構健康監(jiān)測技術研究較早的單位之一，針對飛機結構“內傷”早期發(fā)現和精準診斷的工程需求，開展了理論研究、關鍵技術攻關以及創(chuàng)新性的技術探索等科研工作。通過十余年大量研究與試驗，在飛機結構健康監(jiān)測架構與策略、傳感器技術工程適用性、結構載荷/損傷監(jiān)測方法、結構健康監(jiān)測儀器及集成等方面取得顯著進步，并結合強度所飛機結構地面試驗平臺開展了多層級的技術驗證和測試工作，目前部分研究成果已在飛機結構地面試驗應用中發(fā)揮了重要作用，“懸絲診脈”功力凸顯。下面就讓我們一起看看強度所“懸絲診脈”的過程及功效。

“懸絲診脈”之第一絲

——狀態(tài)監(jiān)測

主要采用光纖光柵傳感技術，實時獲取結構的應變、溫度特征參量，再以應變數據為輸入，反演結構變形、載荷等實時狀態(tài)，可謂對飛機的第一診，確認結構健康狀態(tài)是否有異常/變化。

強度所在基于光纖光柵傳感的狀態(tài)監(jiān)測方面，實現了光纖光柵傳感器的工程應用能力，建立了應變—載荷關系測試方法和模型，建立了結構應變—變形模型，開發(fā)了應變—載荷數據處理及載荷監(jiān)測軟件，已在地面試驗中應用，并在運營飛機、地鐵中拓展應用。

“懸絲診脈”之第二絲

——損傷監(jiān)測

主要采用導波和聲發(fā)射傳感技術，利用壓電效應和聲發(fā)射現象，采集損傷特征信號，通過損傷特征信號分析，實現對結構損傷進行監(jiān)測，損傷監(jiān)測是對飛機第二診，可確認結構是否有損傷、損傷位置和損傷大小。

強度所在損傷監(jiān)測方面，按照由元件監(jiān)測試驗建立基本特征信號數據庫，通過細節(jié)件、組合件等逐級試驗來考慮連接形式、部位、幾何尺寸和環(huán)境等因素對信號的影響，進而得到實際可應用的損傷特征數據庫的技術路線，開展了結構損傷監(jiān)測研究。建立了基于導波和聲發(fā)射傳感技術的損傷監(jiān)測識別、定位及定量等相關算法判據，開發(fā)了自動化分析軟件和兩代自主可控的導波損傷監(jiān)測系統(tǒng)，構建了典型復合材料結構損傷診斷數據庫，已在地面試驗中應用，實現了結構損傷的早期預警。

強度所在健康評估方面，以無損檢測、結構健康監(jiān)測數據為輸入，開展了監(jiān)測數據驅動的健康評估方法研究，包括評估結構剩余強度和剩余壽命，國內首次構建了飛機結構健康診斷與壽命系統(tǒng)平臺，通過在地面試驗中的不斷測試與優(yōu)化，目前已在地面試驗應用。同時，以此平臺為基礎，正在開展基于健康監(jiān)測的飛機數字孿生技術研究。