大型结构多主体健康监测系统信息融合技术研讨

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1、大型结构多主体健康监测系统信息融合技术研讨----毕业范文论文-->第一章绪论1.1结构健康监测概念及研究内容1.1.1结构健康监测的概念及意义随着科学技术的不断进步，社会经济得到不断的发展，国民经济各个领域都迎来了快速发展的高峰期，各种大型、复杂工程结构和设施不断出现，如大型飞机、卫星、空间站等航空航天飞行器结构，超大型高楼大厦、超大跨桥梁、大型水利工程、大型海洋平台结构、隧道、油气管道、核电站等重大土木工程结构。这些结构所采用的材料复杂，包括金属和各种复合材料，特别是先进的复合材料以其独特的优点在航空结构中得到广泛使用[1,

2、2]。如波音公司的B787[3]、空客公司的A380[4]所采用的复合材料占机身结构的50%，有效降低自重的同时，也存在更多的失效模式，特别是沿着复合材料和金属的界面连接处的模式-II面内剪切裂纹将成为主要失效模式，容易受到各种外来冲击或材料疲劳等而产生不同程度的损伤[5,6]。工程结构的损伤一般包括突然损伤和积累损伤两种[7]，突然损伤是指因地震、洪水、飓风、爆炸等严重自然或人为灾害引起，积累损伤则一般是结构在经过长期使用后缓慢累积的损伤，具有缓慢积累的性质。对于传统金属结构，材料特性相对简单，损伤类别主要有疲劳裂纹、腐蚀、紧

3、固件失效、应力腐蚀以及冲击损伤等形式；对于复合材料，由于其性能的分散性较大，导致材料破坏与结构失效的机理复杂，难以有效描述其损伤演化过程和断裂行为，所以复合材料结构的力学性能及损伤模式要比金属结构复杂得多。复合材料层间脆弱，外部冲击易造成内部脱层、纤维断裂等损伤，采用整体化制造时，接头部位是薄弱环节，容易产生内部损伤，内部分层、脱粘等表面不可见损伤。工程结构的各类损伤累积到一定程度，将影响其承载能力和耐久性，使抵抗自然灾害的能力下降，甚至引发各种灾难性的突发事故,带来重大的人员伤亡、经济损失和环境污染，产生严重的社会影响。近年来

4、在航空航天领域，由于结构损伤造成的各类事故频发。2001年美国航空公司一架空客A300在飞行过程中垂直尾翼和方向舵分离[8,9]，飞机坠落造成260人死亡。2005年加拿大越洋航空空客A310从Veradero到Quebec，方向舵断裂，幸运的是，没有造成人员伤亡。2009年法国航空Flight447的坠落，垂直尾翼与机体分离，造成228人死亡[10]。2009年美国西南航空公司229航班，一架波音B737在飞行过程中由于疲劳裂纹造成后机身顶部出现一个足球大小的孔洞，所幸没有人员伤亡[11]。2011年,美国西南航空公司812航

5、班，一架波音B737机身蒙皮的一小段突然裂口，有惊无险，没有人员伤亡[12]。对2001年到2012年的这几次飞行事故原因进行分析，发现结构脱胶、连接失效和疲劳裂纹是事故频发的主要原因，如“哥伦比亚”号航天飞机事故原因为左机翼隔热瓦受损，连接上下翼展面板的钢紧固件出现沿晶断裂的脆性断口，高温离子流从RCC面板内侧断口缝隙穿过上下面板进入，使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸。.....................................1.2结构健康监测技术研究与应用现状建设于二十世纪早期的一些重要工程结构相

6、继达到设计寿命，甚至有不少超期服役，日益暴露出多层面、复杂化的安全隐患；一些新建的大型建筑结构，也有不少缺乏有效的健康监测手段，呈现出“重建不重养”的局面，给人民生命财产带来威胁。由于这些大型结构的传统人工维护与保养难度大、成本高，鉴于健康监测技术方面的优势，美国率先开展结构健康监测技术研究，随后其他国家政府及研究机构也不断加大健康监测技术方面的研究与应用力度，并在航空航天、重大土木工程等领域逐步取得了不少成功的应用范例。航空航天领域的空天飞行器由于造价昂贵，且大量采用复合材料，对结构的安全性要求非常高。美国空军（USAF）针对

7、A-7E的发动机布设了健康监测系统[38]，使得A-7E因发动机故障引发的事故率减少90%，维修工时率减少66%，总的事故率降低66%。军方在F/A-18E/F、V-22的机翼结构、发动机等不同部位布设了由PZT压电传感器及光纤应变传感器阵列等构成的结构健康监测系统，使飞机的健康诊断能力有大幅度提升[39,40]。在F-22Raptor上配备了综合监测与诊断系统，在F-35联合打击战斗机（JSF）上配备了结构预测与健康管理技术，传感器主要选择了应变片，粘贴位置包括飞机机翼根部、水平尾翼及垂直尾翼各自的连接部位、机舱、机腹等部位，

8、结合相关检测电路及设备，如飞机上半部分的分模块诊断及健康管理，飞机下半部分的便携式维修辅助设备，远程维修管理设备以及自动测试设备(ATE)等，对结构的载荷进行在线监测与维护[41]，同时机身头部位置还布设了腐蚀传感器以实现对环境进行监测，另外还实现了对飞机结构疲