复合材料结构健康监测技术在飞机中的运用

蒋平清

摘 要：随着经济全球化的发展，以及全球性信息产业技术的不断更新，在工程设计与工程的使用方面，复合材料的相关健康监测已经实现了技术性的跨越。结构健康监测也就是SHM，在工程建设中的符合性材料的使用中应用相当之广泛，这种技术的出现以及持续的更新，使得在相关工程建设中的智能结构的设计、制造与生产不再是虚幻，尤其是在飞机制造行业中的应用，更是越来越多。该篇文章首先从复合型材料结构健康监测技术在飞机中的应用进行论述，并且论述了当前复合型材料健康检测技术所面临的技术性问题。健康检测技术使得飞机中所使用的复合材料能够实现酌情的维修，并且在飞机的运行使用周期内能够从某种程度上降低飞机的维修成本。

关键词：复合材料 健康检测技术 SHM 飞机 损伤检测

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0149-02

在飞机制造行业中，碳纤维复合材料被广泛的应用进来，尤其是在波音系列的飞机制造中，类似于碳纤维的复合型材料的应用占整个飞机质量的百分之十几到50%左右不等；在A380中，类似碳纤维的复合型材料也会被广泛的应用。复合型材料被广泛的应用在飞机结构件中的最主要的原因就是由复合型材料通过加工制造而形成的结构件在失效之前基本不会发生任何变形，至于复合型材料的构建内部所发生的变化不能通过敲打或者是目测来进行判断，经过监管研究人员的不懈努力，结构健康监测技术被研发并且应用在复合型结构件的损伤检测中，这种检测技术又被称为实时在线结构健康监测系统（SHMS），并且得到了相当广泛的应用。

1 结构健康监测技术概述

当前，结构健康监测技术在飞机的地面结构强度、疲劳试验以及装机后的离线测试中被应用并得到一些较好的效果。在2014年左右，空客公司以及波音公司这世界上驰名的飞机制造公司开始计划着进行在役飞机的在线监测，并且计划在2018年之前实现对飞机整体结构的健康监测。我国从20世纪90年代中期开始，首先在“863”航空高科技计划中投入大量资金，其主要的目的就是进行大型复杂结构体系健康性的自我诊断等相关技术的研发。目前，在我国的一些高校的研究基地，例如南京航空航天大学以及华中理工大学等以及取得了相当可观的效果，在自适应复合材料、光纤结构自诊断、神经网络的损伤定位技术等都已经研究出相当重要的结论。由于我国的一些相关的技术水平相对于西方国家来说还不够醇熟，所以在进行复合材料结构的相关方面只是进行了初步的探析与试验的验证，还没有太多的技术能力进行进一步深入的研究。

结构健康监测技术的观念主要来源于仿生学理论，是经过相关的专家研究之后将信息科学技术与材料科学技术相融合的结果，这项技术主要是将嵌入式的传感器或者是表面黏贴式的传感器作为系统的神经传输结构，通过传感器的相关感应功能将一些结构件的内部缺陷或者是损伤进行感知或者是预报。根据最基本的层次上来说，监控是采用某一种技术手段针对系统的结构进行监测，并且通过相关数据的分析，以及系统的相关相应诊断系统发生的某种形式的变化，针对机构性的变化进行针对，看变化是会否影响系统的正常工作，并且针对结构的变化对系统提出相关的建议。相对来说，质量较好并且相对理想的结构健康监测系统能够在系统的结构件发生变化的初期就能发现问题，并且准确判断出相关问题或者损伤的位置，以及问题或者损伤的严重程度，并且针对结构件损伤针对系统安全性的影响进行分析，并且预测损伤结构件的最长使用周期。

从飞机长期运行发展的角度以及相关的飞机技术研发的前景来考虑，飞机结构健康实时监测系统能够为相关新技术的研发以及飞机运行的可靠性提供强有力的技术参数。飞机结构健康实时监测系统的使用，能够在某种程度上避免飞机复合材料结构的裕度设计，从而降低飞机制造的相关成本，减轻飞机机身的重量，保证飞机的可靠安全运行。

2 结构健康监测技术的结构及应用

2.1 结构健康监测技术结构

目前结构健康监测技术已经发展的比较成熟，对其进行监测的方法也有很多，在众多的方法当中，根据震动进行结构健康监测技术的实时监测、根据裂纹检测的结构健康监测技术实时监测以及根据应力的结构健康监测技术实时监测是最常见也是使用最广泛的检测系统。图1是结构健康检测系统的整体流程框图，电源模块产生激励，然后经过传感器进行相关信号感应，进行信号的采集，最后进行损伤的识别并且进行输出。

根据震动进行结构健康监测技术的实时监测主要是通过检测震动信号的仪器比如加速度传感器，压力电流转换传感器以及光纤传感器等仪器对飞机的整体结构上的实时震动信号进行采集并反馈给检测系统，实现对飞机所有部位的监测，并对反馈的信号进行分析来识别飞机结构是否有损伤。常见的根据震动进行实时监测的系统的主要依据是基于主动和被动应力波之间的相互关系进行结构健康监测。除此之外还有好多方法也是根据震动进行结构健康监测的实时监控的，比如说利用阻抗大小变化、结构动态变化信号和随机递减等方法也能对结构健康监测进行实时监控。基于被动应力波进行检测最常见的方法就是声波法，他利用飞机表面受到应力而产生结构变化时所发出声波发射信号与反射信号之间的关系来进行监测，当飞机表面结构发生变化时，声波的反馈信号也会及时的发生变化，对反馈回来的声波信号进行分析，就可以判断飞机材料是否有损伤。利用主动应力波的检测就相对复杂，整个系统中要有完整的监测体系，包括信号发生装置、信号的采集、分析、处理装置，被测物体必须能良好的接收信号发射装置所发出的信号源。但飞机的结构巨大，产生的信号不好回收采集，所以这种方法的应用并不广泛。

根据裂纹检测的结构健康监测技术实时监测现在应用比较广泛的就是比较真空检测技术。它主要是先将飞机表面进行覆盖将其变成一个比较密闭的空间，然后对该空间进行抽真空处理，如果某个地方的真空度发生了变化，则说明此处的飞机表面有变化，可能存在裂纹。再利用光纤传感器识别并判断裂纹存在的位置，技术成熟的还可以检测出裂纹的长度。

然而根据应力的结构健康监测技术实时监测方法是最普通的，它的发展前景也不及前两种存在着那么大的潜力。这种方法主要是利用压力传感器对飞机受到损伤时表面结构的变化以及应力的变化信号进行收集，反馈给分新系统判断损伤的位置。这种方法存在着好多弊端，比如压力信号不宜采集而且信号不准确存在较大的误差，而且压力传感器自身也需要使用电能，系统的损耗比较大。再就是应力系统十分庞大，线路复杂，对飞机内部的布线有很大影响，而且也存在着巨大的安全隐患也不利于以后的维护。这种技术已经逐渐在被光纤技术淘汰。

复合材料应为其特殊的材质和结构组成导致他的耐压能力不强，不能抵抗较强的外力影响。这也极大的约束了复合材料在飞机上的使用。现有的复合材料在飞机上的应用也往往不能发挥复合材料的最大极限，设计时往往只利用了1/3的使用能力，这是复合材料现在与金属材料相比的最大弱势。金属材料的耐压利用率往往在60%以上。所以复合材料的结构健康检测技术在飞机上的应用是十分必要的，他大大的提高了复合材料的使用效率，是复合材料与金属材料相比质量轻，性能好的特点得到更大的发挥。

2.2 结构健康监测技术的探伤预测系统在复合型材料飞机中的应用

结构健康监测技术的探伤预测系统在整个系统中起着至关重要的作用，是整个系统的重要组成部分，它主要包括飞机结构的损伤诊断、损伤预测以及剩余寿命判断与预测三个模块。该系统首先根据飞机制造时所采用材料的力学性能以及受重能力损坏边界等条件利用自身设计的系统进行损伤的判断，然后利用一系列的数学模型对材料的剩余寿命进行计算。最后依据材料的损伤程度、材料的自身性能预测材料是否受损。结构健康监测技术必须建立探伤预测系统，由于这个系统相对复杂，技术难度高，以前总被工程师们忽视。但是该系统的存在能大大的提高结构健康监测技术的智能性，使其工程价值与市场价值大大提高。而且现在高智能的传感器相继出现，攻克这种技术难关已经不是那么遥不可及的任务了。所以讲结构健康监测技术应用在复合型材料的飞机中能够准确针对材料的损伤做出预期的判断

2.3 结构健康监测技术的探伤诊断系统在复合型材料飞机中的应用

要建立结构健康监测技术的探伤诊断系统首先就要建立一个精确度非常高的标准模型，一个完整的数据运算与处理网络和一个精确的基准数据库。该系统首先利用一系列的传感器将飞机表面的受力信号，位置信号等一系列采集好的信号传送给信号分析网络，该网络对信号进行演算、处理，最后与标准的基准库进行比较确定材料是否受损。在这里，基准库的准确性非常重要，它直接决定了整个探伤系统的准确性，也是约束系统的条件之一。但是随着现在科技的发展，已经有人尝试着利用大数据统计的方法进行诊断，这样就不用依赖于单一的数据库了，而且精确性也会大大提高。一个精确的探伤诊断系统是决定整个结构健康监测技术系统稳定性好坏的重要依据，他也决定了整个系统是否能够投入使用，所以必须建立一个精确度极高的探伤诊断系统。将结构健康监测技术的探伤诊断技术应用在复合型材料的飞机中能够有效诊断出材料的损伤程度。

2.4 复合材料的结构健康监测技的设计与投放在飞机中的应用

利用以上的原理，设计师们已经设计出了适合复合材料的结构健康检测技术，但是目前国际上对该技术的检测缺乏标准，导致设计师们在设计之初出于对安全的考虑，对复合材料能载荷能力只设计在其极限能力的30%，我们也只能利用一系列的试航实验来对系统进行审核。所以在投放过程中，我们先取得了适航的认证，这个过程比较漫长，因为我们对复合材料的审核能力没有像对金属材料审核的那么规范，那么成熟。我们现有的审核标准也相对的保守。所以构建一个适航的复合材料的结构健康监测技术对以后复合材料在飞机上的应用起着积极的推进作用。

2.5 结构健康监测技术的实时监控系统在 复合材料飞机中的应用

结构健康监测技术的实时监控系统在飞机上的应用，使得复合材料飞机的稳定性极大的提高了，也使得对复合材料的利用率可以尝试提高，稳定的监控系统能及时的反映出飞机在行驶过程中存在的问题，利用这些信号帮助设计师们完善对飞机的设计，这可以极大的减少飞机种金属材料的使用，大大的减轻重量，节约能源。

2.6 结构健康监测技术在复合材料飞机的维修方面应用

因为复合材料结构特殊，性能高，所以其使用成本也非常高，所以复合材料的维护也就起到了节约成本，提高使用效率的作用。目前，我们出于对复合材料换件费用极高，长途运输耽误时间的角度考虑，往往采用胶接的方法对复合材料进行维修。结构健康监测技术在复合材料飞机上的应用能够实现对受损部位的预测，以及损坏部位的判断，极大的帮助了工程师们提高在修理方面的效率。

3 结语

结构健康监测（SHM），在飞机行业中的应用会越来越广泛，这种技术的出现以及持续的更新，使得在相关工程建设中的智能结构的设计、制造与生产不再是虚幻，尤其是在飞机制造行业中的应用，更是越来越多。该文从当前发展情况入手，阐述了具体的应用方式，旨在提升应用效率，使其更好的发展。

参考文献

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