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

1、飛行器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)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(cè)裝備對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)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(guó)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(duì)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(cè)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(cè)，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(wèn)題開(kāi)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(cè)理論方面：針對(duì)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(cè)的難題，①在信號(hào)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(hào)以及Lamb波群相速度的方法，避免了不同頻率信號(hào)群相速度差異對(duì)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(hào)的窄帶提取問(wèn)題；②在損傷和沖擊監(jiān)測(cè)方法上，提出利用群相速度對(duì)壓電傳感器陣列Lamb波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相位合成時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的方法，通過(guò)時(shí)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(duì)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(wèn)題，易于工程應(yīng)

4、用；在此基礎(chǔ)上，提出了相位合成時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的無(wú)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(duì)這一問(wèn)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(guò)了工程適用性驗(yàn)證；②從全面綜合和面向機(jī)載兩個(gè)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(hào)處理、健康監(jiān)測(cè)以及PHM數(shù)據(jù)管理的綜合集成，研制了國(guó)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(cè)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(cè)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(duì)于國(guó)外，國(guó)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(duì)這一問(wèn)題，在某型無(wú)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和損傷監(jiān)測(cè)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(tái)，驗(yàn)證了壓電結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)體系架構(gòu)的建立問(wèn)題，提出飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)的單機(jī)級(jí)和機(jī)群級(jí)的兩級(jí)體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)上、地面組合，成員級(jí)、區(qū)域級(jí)分層次，多結(jié)構(gòu)部位、多區(qū)域、多損傷模式的單機(jī)級(jí)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(jí)架構(gòu)中的區(qū)域級(jí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)功能演示及驗(yàn)證平臺(tái)。
　　 壓電智能夾層傳感器通過(guò)了中國(guó)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(guò)了江蘇