航空航天复合材料结构健康监测技术研究进展.pdf

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1、复材材料结构健康监测STRUCTURALHEAL-THMONITORINGFORCOMPOSITES航空航天复合材料结构健康监测技术研究进展米武湛君1，渠晓溪1，高东岳1’2，刘科海1，冯建民3(1．大连理工大学航空航天学院工业装备结构分析国家重点实验室，大连116{)24；2．大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024；3．中航工业飞机强度研究所，西安710065)[摘要]通过在线监测结构响应，实时掌握结构的健康状况，并在此基础上对可能发生的损伤和故障进行预报，以便能及时采取措施，保证复合材料结构的服

2、役安全综述了几种重要的结构健康监测方法的研究进展、应用场合与发展历程，包括：全局状态感知技术(光纤传感监测法)、全局损伤诊断技术(波传播损伤诊断法)、局部损伤诊断方法(机电阻抗监测法、真空比较监测法、智能涂层法等)，讨论了复合材料结构健康监测传感器的安装方法。结合各种技术的发展历程和优缺点展望了航空航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势。关键词：航空航天结构；复合材料；结构健康监测；光纤；导波；机电阻抗；真空比较监测；智能涂层DoI：10．16080／j．issnl67l-833x．2016．15．092武湛

3、君大连理工大学航空航天学院教授。副院长，中国复合材料学会常务理事，博士。从事飞行器结构／材料性能表征与结构健康监测研究。t基金项目：罔家自然科学基金项日(91016024)，教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET一11-0055)，重大项目培育科研专题(DU‘F13ZD(G)06)。92航牵制造技术·2016年第15期与传统金属材料相比，复合材料具有更高的比强度、比刚度并具有极强的可设计性，因此广泛应用于航空航天领域”。2】。美国航空航天局(NASA)兰利研究中心在《航空航天用先进复合材料发展报告》中指出，将

4、复合材料应用于机翼机身可实现减重24．3％的目标[3】。先进复合材料在航空航天结构中的应用还可以实现抗腐蚀、减少连接结构等目标。复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率141；整体成形技术可有效减少连接，提高结构可靠性，降低成本；复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。因此复合材料大量应用于航空航天结构中。部分民用飞机复合材料占总重量的比例如图102】所示。由于材料内部存在复杂的非线性和分散性因素，复合材料结构的强度和破坏模式预测十分困难[5-610因此，针对航空航天复合材料结构的结构特点与应用环境发展健康监

5、测技术(StructuralHealthMonitoring，SHM)可以在结构运行中采集健康状况信息，提高航空航天结构的安全性【卜”】。将结构健康监测技术与无损检测技术相结合有助于实现航空航天结构基于状态维护，并最终为结构优化设计迭代提供依据。近年来，国内外多家研究机构及企业进行了大量有关结构健康监测的基础研究”2—61，并逐步将结构健康监测技术应用于先进飞行器复合材料结构安全维护中[17-19]。NASA于1998年采用光纤光栅传感器感知可重复使用运载器(RLVx一33)低温贮箱的状态(包括温度和应变场)

6、。随后，NASA又开发了混合诊断工具BEAM，并将其应用于航天飞机主引擎异常检测119-2110洛克希德·马丁公司为获得较高的结构可靠性及、．350：52％波肯787：5(IC乃A380：25％～340：l3％波音777：lI％波肯757：4％波阿767：4％；L一≮一40波知7叁_■●_——，I—，鼍--e-波舟757／76719701q80199(】200()2{】1()投八使心年份图1民用飞机复合材料用量比例Fig．1Consumptionofthecompositematerialsoncivilai

7、rcraft可维修性而在其新一代战斗机F一35中安装了先进预测及健康管理系统(Prognostics&HealthManagement，PHM)，该系统与地面的联合分布式信息系统相结合形成了飞机集成健康管理系统[2210在民用航空结构健康监测领域，美国波音公司开展了大量探索性工作，构建了飞机结构健康监测的基本体系结构，在多个机型上采用结构健康监测技术对结构的微裂纹进行监测。欧洲空客公司研究了结构健康监测技术在A320、A340、A350、A380等型号客机上的实现，并针对飞机不同部件提出了相应的结构健康监测需

8、求120]o由空客集团主持，历时6年(201l～2016)的飞机智能化项目——(SARISTU，SmartIntelligentAircraftStructures)中针对飞行器损伤诊断技术做了详细的总结，包括：基于光纤的飞机结构变形监测技术[231,基于超声导波的损伤监测技术1241,多损伤评估技术(主动式)1251和撞击监测技术心6I(被动式)、基于机电阻抗的裂纹监测技术12710英国的Qine