復(fù)合材料飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提高結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全程度、降低維護(hù)成本，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)過(guò)程中都發(fā)揮著重要的作用。然而在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，包括:如何在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中優(yōu)化布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，如何在復(fù)雜環(huán)境條件下保證損傷診斷方法的準(zhǔn)確度，如何制定合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略等。本文針對(duì)復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受載形式研究了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，并利用這一技術(shù)在全尺寸復(fù)合材料飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)靜力加載過(guò)程中對(duì)

2、其進(jìn)行了健康狀況監(jiān)測(cè)。
　　本文的主要研究工作包括以下幾方面:
　　首先，介紹了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的工程背景，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容、方法、路線以及結(jié)構(gòu)綱要。
　　第二，主要研究了結(jié)構(gòu)形式和環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)波傳播特性的影響，首先建立導(dǎo)波在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上傳播的數(shù)值模型，包括壓電傳感器激發(fā)、接收導(dǎo)波的理論模型，結(jié)構(gòu)傳播導(dǎo)波的頻散模型與阻尼模型。然后，對(duì)飛

3、機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中導(dǎo)波傳播可能受到的影響進(jìn)行數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，包括結(jié)構(gòu)損傷、傳感器膠層質(zhì)量、結(jié)構(gòu)附著物、加強(qiáng)筋以及環(huán)境溫度的變化。
　　第三，提出了針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并針對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳感器網(wǎng)絡(luò)布置，安裝和路徑設(shè)置等研究。在本章中，尾翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題被簡(jiǎn)化成以每一列傳感器的個(gè)數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，以使傳感器網(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)期覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。首先，通過(guò)分析復(fù)合材料尾翼結(jié)

4、構(gòu)形式及損傷特點(diǎn)，得出了傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的約束條件。然后，利用典型加強(qiáng)筋板上的導(dǎo)波傳播實(shí)驗(yàn)分別得出了不同路徑的有效覆蓋范圍。接下來(lái)，對(duì)傳感器數(shù)量不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋范圍模擬，根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題約束條件得到最優(yōu)傳感器網(wǎng)絡(luò)布置形式。最后，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)布置和尾翼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了信號(hào)傳輸電纜的設(shè)置。
　　第四，基于信號(hào)斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)，提出了一種對(duì)溫度變化不敏感但是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷比較敏感的損傷因子。基于這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(gè)基準(zhǔn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)在較大溫度區(qū)間內(nèi)的損傷識(shí)別，從而減少信號(hào)空間中的基準(zhǔn)信號(hào)數(shù)量。本章在20℃～60℃溫度變化環(huán)境中進(jìn)行了復(fù)合材料板中的損傷診斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與散射信號(hào)能量損傷因子相比，斯皮爾曼等級(jí)損傷因子對(duì)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(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)和現(xiàn)行信號(hào)進(jìn)行損傷成像，結(jié)果證實(shí)了基于斯皮爾曼等級(jí)損傷因子的損傷診斷方法適合作為全尺寸復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)在溫度變化條件下的損傷診斷方法。<

6、br>　　第五，針對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式和受載特點(diǎn)提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略。該策略分為損傷擴(kuò)展監(jiān)測(cè)和損傷成像診斷兩個(gè)階段。在損傷擴(kuò)展監(jiān)測(cè)階段，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)的損傷擴(kuò)展監(jiān)測(cè)采集模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀況收集，結(jié)合信號(hào)典型相關(guān)分析提出了損傷擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方法，作為損傷在役監(jiān)測(cè)方法。在損傷成像診斷階段，利用信號(hào)全局采集模式，結(jié)合斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)損傷成像診斷方法，在結(jié)構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行損傷影響范圍成像診斷。在復(fù)合材料T型接頭上的損傷在役監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該

7、策略在靜力加載條件下對(duì)典型飛機(jī)部件的有效性。通過(guò)尾翼模擬損傷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)得到了在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中損傷識(shí)別閾值與損傷影響范圍的經(jīng)驗(yàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　第六，結(jié)合某型號(hào)客機(jī)全尺寸復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)靜力加載實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了針對(duì)真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究。首先，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試;然后，在尾翼靜力加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中對(duì)尾翼健康狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，利用第五章提出的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略對(duì)運(yùn)行中損傷擴(kuò)展趨勢(shì)和停機(jī)后損傷影響范圍進(jìn)行了