復合材料飛機尾翼結構健康監(jiān)測技術研究.pdf

1、基于超聲導波的結構健康監(jiān)測技術可以提高結構運行安全程度、降低維護成本，在結構設計、維護過程中都發(fā)揮著重要的作用。然而在飛行器結構健康監(jiān)測中，導波結構健康監(jiān)測技術的應用面臨著許多挑戰(zhàn)，包括:如何在復雜結構中優(yōu)化布置傳感器網(wǎng)絡，如何在復雜環(huán)境條件下保證損傷診斷方法的準確度，如何制定合理的結構健康監(jiān)測策略等。本文針對復合材料尾翼結構的結構特點和受載形式研究了基于導波的結構健康監(jiān)測技術，并利用這一技術在全尺寸復合材料飛機尾翼結構靜力加載過程中對

2、其進行了健康狀況監(jiān)測。
　　本文的主要研究工作包括以下幾方面:
　　首先，介紹了基于導波的結構健康監(jiān)測技術在飛機結構上應用的工程背景，對國內(nèi)外相關技術研究進展進行了綜述，并在此基礎上提出了本文的主要研究內(nèi)容、方法、路線以及結構綱要。
　　第二，主要研究了結構形式和環(huán)境溫度對導波傳播特性的影響，首先建立導波在復合材料結構上傳播的數(shù)值模型，包括壓電傳感器激發(fā)、接收導波的理論模型，結構傳播導波的頻散模型與阻尼模型。然后，對飛

3、機結構健康監(jiān)測過程中導波傳播可能受到的影響進行數(shù)值分析和實驗研究，包括結構損傷、傳感器膠層質(zhì)量、結構附著物、加強筋以及環(huán)境溫度的變化。
　　第三，提出了針對復雜結構健康監(jiān)測的壓電傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法，并針對復合材料飛機尾翼結構進行了傳感器網(wǎng)絡布置，安裝和路徑設置等研究。在本章中，尾翼結構健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡設計問題被簡化成以每一列傳感器的個數(shù)為優(yōu)化對象，以使傳感器網(wǎng)絡達到預期覆蓋率為優(yōu)化目標的優(yōu)化問題。首先，通過分析復合材料尾翼結

4、構形式及損傷特點，得出了傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計問題的約束條件。然后，利用典型加強筋板上的導波傳播實驗分別得出了不同路徑的有效覆蓋范圍。接下來，對傳感器數(shù)量不同的傳感器網(wǎng)絡進行覆蓋范圍模擬，根據(jù)優(yōu)化問題約束條件得到最優(yōu)傳感器網(wǎng)絡布置形式。最后，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡布置和尾翼結構形式進行了信號傳輸電纜的設置。
　　第四，基于信號斯皮爾曼等級相關系數(shù)，提出了一種對溫度變化不敏感但是對結構損傷比較敏感的損傷因子?；谶@種損傷因子的損傷診斷方法可以在

5、溫度變化環(huán)境中，利用一個基準信號實現(xiàn)在較大溫度區(qū)間內(nèi)的損傷識別，從而減少信號空間中的基準信號數(shù)量。本章在20℃～60℃溫度變化環(huán)境中進行了復合材料板中的損傷診斷實驗。實驗結果表明:與散射信號能量損傷因子相比，斯皮爾曼等級損傷因子對溫度變化的敏感程度較低。以在不同溫度下采集到的尾翼右上翼面信號作為基準信號和現(xiàn)行信號進行損傷成像，結果證實了基于斯皮爾曼等級損傷因子的損傷診斷方法適合作為全尺寸復合材料尾翼結構在溫度變化條件下的損傷診斷方法。<

6、br>　　第五，針對復合材料飛機結構形式和受載特點提出了結構健康監(jiān)測策略。該策略分為損傷擴展監(jiān)測和損傷成像診斷兩個階段。在損傷擴展監(jiān)測階段，利用傳感器網(wǎng)絡的損傷擴展監(jiān)測采集模式進行結構健康狀況收集，結合信號典型相關分析提出了損傷擴展監(jiān)測方法，作為損傷在役監(jiān)測方法。在損傷成像診斷階段，利用信號全局采集模式，結合斯皮爾曼等級相關系數(shù)損傷成像診斷方法，在結構停機狀態(tài)下進行損傷影響范圍成像診斷。在復合材料T型接頭上的損傷在役監(jiān)測實驗結果驗證了該

7、策略在靜力加載條件下對典型飛機部件的有效性。通過尾翼模擬損傷監(jiān)測實驗得到了在飛機結構中損傷識別閾值與損傷影響范圍的經(jīng)驗性對應關系。
　　第六，結合某型號客機全尺寸復合材料尾翼結構靜力加載實驗，進行了針對真實飛機結構的基于導波的結構健康監(jiān)測技術應用研究。首先，對傳感器網(wǎng)絡和健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了調(diào)試;然后，在尾翼靜力加載實驗進行過程中對尾翼健康狀況進行了監(jiān)測，利用第五章提出的結構健康監(jiān)測策略對運行中損傷擴展趨勢和停機后損傷影響范圍進行了