飞行器压电结构健康监测与管理方法研究

摘要

飞行器结构的健康监测与管理(PHM)技术作为飞行器PHM技术的重要组成部分，已成为先进飞行器自主保障的核心技术。该技术利用传感器及监测装备对飞机结构的健康状态进行监测与评估和剩余寿命估计，指导任务决策和后勤维护，以保障新材料应用，降低维护费用。是否配置该技术已成为飞行器是否先进的标志之一。我国正在研制的大型民机、先进作战飞机等新机，以及在役飞机，都对飞行器结构PHM技术的工程应用提出了迫切的需求。
　　 基于压电传感器阵列的飞行器结构健康监测与管理(压电结构PHM)方法具有不完全依赖结构建模，可实现区域监测，适用于复合材料和金属结构等特点，已成为目前飞行器结构PHM技术的重要研究方向。本文面向航空领域的工程应用，围绕压电结构PHM方法和飞机结构PHM系统体系架构建立中存在的关键技术问题开展了深入研究。主要研究工作及创新如下：
　　 1)在航空复杂结构的健康监测理论方面：针对航空复杂结构和复合材料结构健康状态可靠监测的难题，①在信号处理方法上，提出利用Shannon连续复数小波变换的等幅频率窗特性获取Lamb波中的窄带和单频信号以及Lamb波群相速度的方法，避免了不同频率信号群相速度差异对损伤和冲击定位造成的误差并解决了冲击产生的宽带信号的窄带提取问题；②在损伤和冲击监测方法上，提出利用群相速度对压电传感器阵列Lamb波响应信号进行相位合成时间反转聚焦的方法，通过时域群速度调制和频域相速度调制两种相位合成方式，实现了对损伤和冲击成像定位，解决了常规方法依赖结构传递函数的问题，易于工程应用；在此基础上，提出了相位合成时间反转聚焦的无基准损伤成像定位方法。
　　 2)在压电结构PHM传感器和系统的集成方面：具备航空领域工程适用性的结构PHM传感器设计方法的研究及研发很少，压电结构PHM系统集成方法的研究和系统研制还是空白。针对这一问题，①提出基于焊胶混合工艺、刚柔结合、抗电磁干扰布线的压电智能夹层传感器可靠性设计方法，研制了面向工程应用的压电智能夹层传感器并通过了工程适用性验证；②从全面综合和面向机载两个角度，提出两种系统集成方法：提出了压电结构PHM系统总线集成方法，实现了压电传感器网络管理、信号处理、健康监测以及PHM数据管理的综合集成，研制了国际上首套便携式压电多通道扫查系统；提出了小型化、全数字化、便于机载应用的复合材料结构冲击区域监测系统集成方法并进行了系统研制，解决了大面积复合材料冲击监测和维护的迫切需求与PHM系统附加重量大和功耗高之间的矛盾。
　　 3)在压电结构PHM系统的功能验证和应用方面：相对于国外，国内在真实飞机结构，尤其是大型和复杂的飞机结构上进行PHM功能验证的研究很少，应用还是空白。针对这一问题，在某型无人机复合材料机翼盒段结构的地面静强度实验中应用了压电多通道扫查系统，并对系统的稳定性和损伤监测的有效性进行了验证；基于飞机机翼盒段结构，建立了一套综合的压电结构PHM系统功能演示及验证平台，验证了压电结构PHM系统对具有复杂结构形式的复合材料结构的损伤和冲击监测功能以及系统的PHM数据管理功能。
　　 4)在飞机结构PHM系统体系架构的研究和验证方面：针对飞机结构PHM系统体系架构的建立问题，提出飞机结构PHM系统的单机级和机群级的两级体系架构，实现了一种机上、地面组合，成员级、区域级分层次，多结构部位、多区域、多损伤模式的单机级分布式飞机结构PHM系统体系架构，建立了单机级架构中的区域级飞机结构PHM系统功能演示及验证平台。
　　 压电智能夹层传感器通过了中国飞机强度研究所的工程适用性验证。压电智能夹层传感器和压电多通道扫查系统的主要技术指标通过了江苏省计量科学研究院的检定。本文取得的研究成果先后被成都飞机设计研究所、空军装备研究所、中国商用飞机有限责任公司、中国飞机强度研究所等7个单位应用于新机研制，在役飞机延寿、大型民机复合材料结构设计、飞机管道振动监测等。