飛行器壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與管理方法研究.pdf

1、飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與管理(PHM)技術(shù)作為飛行器PHM技術(shù)的重要組成部分，已成為先進(jìn)飛行器自主保障的核心技術(shù)。該技術(shù)利用傳感器及監(jiān)測裝備對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與評估和剩余壽命估計(jì)，指導(dǎo)任務(wù)決策和后勤維護(hù)，以保障新材料應(yīng)用，降低維護(hù)費(fèi)用。是否配置該技術(shù)已成為飛行器是否先進(jìn)的標(biāo)志之一。我國正在研制的大型民機(jī)、先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)等新機(jī)，以及在役飛機(jī)，都對飛行器結(jié)構(gòu)PHM技術(shù)的工程應(yīng)用提出了迫切的需求。
　　 基于壓電傳感器陣列的飛行

2、器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與管理(壓電結(jié)構(gòu)PHM)方法具有不完全依賴結(jié)構(gòu)建模，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測，適用于復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，已成為目前飛行器結(jié)構(gòu)PHM技術(shù)的重要研究方向。本文面向航空領(lǐng)域的工程應(yīng)用，圍繞壓電結(jié)構(gòu)PHM方法和飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)體系架構(gòu)建立中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題開展了深入研究。主要研究工作及創(chuàng)新如下：
　　 1)在航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測理論方面：針對航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)可靠監(jiān)測的難題，①在信號處理方法上，提出利用S

3、hannon連續(xù)復(fù)數(shù)小波變換的等幅頻率窗特性獲取Lamb波中的窄帶和單頻信號以及Lamb波群相速度的方法，避免了不同頻率信號群相速度差異對損傷和沖擊定位造成的誤差并解決了沖擊產(chǎn)生的寬帶信號的窄帶提取問題；②在損傷和沖擊監(jiān)測方法上，提出利用群相速度對壓電傳感器陣列Lamb波響應(yīng)信號進(jìn)行相位合成時間反轉(zhuǎn)聚焦的方法，通過時域群速度調(diào)制和頻域相速度調(diào)制兩種相位合成方式，實(shí)現(xiàn)了對損傷和沖擊成像定位，解決了常規(guī)方法依賴結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的問題，易于工程應(yīng)

4、用；在此基礎(chǔ)上，提出了相位合成時間反轉(zhuǎn)聚焦的無基準(zhǔn)損傷成像定位方法。
　　 2)在壓電結(jié)構(gòu)PHM傳感器和系統(tǒng)的集成方面：具備航空領(lǐng)域工程適用性的結(jié)構(gòu)PHM傳感器設(shè)計(jì)方法的研究及研發(fā)很少，壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)集成方法的研究和系統(tǒng)研制還是空白。針對這一問題，①提出基于焊膠混合工藝、剛?cè)峤Y(jié)合、抗電磁干擾布線的壓電智能夾層傳感器可靠性設(shè)計(jì)方法，研制了面向工程應(yīng)用的壓電智能夾層傳感器并通過了工程適用性驗(yàn)證；②從全面綜合和面向機(jī)載兩個角度，提

5、出兩種系統(tǒng)集成方法：提出了壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)總線集成方法，實(shí)現(xiàn)了壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、信號處理、健康監(jiān)測以及PHM數(shù)據(jù)管理的綜合集成，研制了國際上首套便攜式壓電多通道掃查系統(tǒng)；提出了小型化、全數(shù)字化、便于機(jī)載應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)集成方法并進(jìn)行了系統(tǒng)研制，解決了大面積復(fù)合材料沖擊監(jiān)測和維護(hù)的迫切需求與PHM系統(tǒng)附加重量大和功耗高之間的矛盾。
　　 3)在壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和應(yīng)用方面：相對于國外，國內(nèi)在真實(shí)飛機(jī)

6、結(jié)構(gòu)，尤其是大型和復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行PHM功能驗(yàn)證的研究很少，應(yīng)用還是空白。針對這一問題，在某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼盒段結(jié)構(gòu)的地面靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了壓電多通道掃查系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和損傷監(jiān)測的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；基于飛機(jī)機(jī)翼盒段結(jié)構(gòu)，建立了一套綜合的壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)功能演示及驗(yàn)證平臺，驗(yàn)證了壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷和沖擊監(jiān)測功能以及系統(tǒng)的PHM數(shù)據(jù)管理功能。
　　 4)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)體系

7、架構(gòu)的研究和驗(yàn)證方面：針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)體系架構(gòu)的建立問題，提出飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)的單機(jī)級和機(jī)群級的兩級體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)上、地面組合，成員級、區(qū)域級分層次，多結(jié)構(gòu)部位、多區(qū)域、多損傷模式的單機(jī)級分布式飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)體系架構(gòu)，建立了單機(jī)級架構(gòu)中的區(qū)域級飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)功能演示及驗(yàn)證平臺。
　　 壓電智能夾層傳感器通過了中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所的工程適用性驗(yàn)證。壓電智能夾層傳感器和壓電多通道掃查系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)通過了江蘇