飞机结构健康监测策略研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:白生宝()男硕士研究员:.:./.飞机结构健康监测策略研究白生宝肖迎春刘国强黄 博(中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室 西安)摘要:飞机全寿命周期结构健康监测技术的应用对提高飞机在役安全性和可靠性提升地面维护效率延长飞机使用寿命具有巨大的价值和效益因而得到国内外的持续关注和研究 该技术在飞机上的应用已成为衡量飞机先进性的重要指标之一而飞机结构健康监测标准规范与策略的制定是技术开展的首要任务 分析了航空制造业先进国家结构健康监测技术相关的标准规范明确了制定标准规范的具体要求通过总结国外结构健康监测
2、技术最新研究进展梳理了结构健康监测技术框架体系针对我国飞机结构地面试验和服役环境 大应用场景的技术特点明晰了我国结构健康监测的技术需求并在此基础上提出了我国飞机结构健康监测的总体架构和可供剪裁的技术实施策略关键词:结构完整性结构健康监测损伤检测监测策略本文引用格式:白生宝肖迎春刘国强等.飞机结构健康监测策略研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言飞机结构健康监测()是基于安装在飞机上的结构状态感知传感器网络获取结构健康状况特征参数信息通过信息处理、结构分析和实验验证构建表征结构健康状态的模型和算法建立健康状态诊断判据从而实现飞机结构健康状态
3、的实时、在线监测和快速诊断 结构健康监测技术具有持续性、实时性和在线性的特点可以在飞机结构设计、制造、试验和服役全寿命周期中对结构的状态进行监测和评估保障新材料的安全扩大应用、提高结构安全性和可靠性、降低使用维护成本 在飞机全寿命周期具有巨大的应用潜力和效益 结构健康监测技术是无损检测技术向数字化、智能化发展的创新体现已成为保证飞机结构的完整性的重要关键技术之一结构健康监测技术在航空航天领域得到了高度关注和积极推动通过多年持续、系统的研究国外提出了完备的飞机结构健康监测技术框架与实施策略完善了技术标准规范逐步在型号中进行了应用 相对而言国内在航空航天领域也广泛开展了结构健康监测技术研究但主要集
4、中在原理性研究、实验室验证和局部的应用测试阶段尚未构建满足飞机全状态结构健康监测技术应用的标准规范、技术框架和实施方法本文中在标准规范要求、技术推动和型号需求牵引等 个方面分析的基础上提出了现阶段我国实施飞机全状态结构健康监测的总体架构和技术策略探讨了飞机结构健康监测技术未来发展方向 标准规范要求为保证飞机的安全性和可靠性自 年美国开始在军用飞机设计与维护领域引入飞机结构完整性思想 为此美国国防部制定了一系列文件首先于 年 月正式形成并颁 布 了 军 用 飞 机 结 构 完 整 性 大 纲 体 系 随后不断完善、修订和更新 年颁布了最新的结构完整性大纲 在民用飞机方面美国联邦航空局()年颁布修
5、正案 和咨询通告.并得到不断发展和修订更新到.我国在军民机方面也制订了相应的结构完整性大纲并不断修订和更新目前形成 军用飞机结构完整性大纲和航空器结构持续完整性大纲大纲中明确结构完整性的定义是“在要求的结构安全性、结构能力、耐久性和可保障性水平下结构可正常使用以及功能未受削弱时所处的状态其内容包含影响飞机安全使用和成本费用的机体强度、刚度、耐久性、损伤容限和功能等”飞机结构完整性大纲()主要包括设计、分析、验证、管理数据包和使用管理 大任务 从飞机结构完整性要求来看结构完整性大纲关注的核心问题是结构损伤(含腐蚀)和使用寿命 其控制实施方法如图 所示图 飞机结构完整性控制实施方法.随着航空科学技
6、术的不断发展新材料、新场景、新需求的不断涌现使得飞机结构形式越来越复杂使用环境也越来越恶劣这对飞机结构完整性提出了更高的要求对传统的结构损伤检测、寿命监控提出了新的技术挑战 在结构完整性大纲要求下航空发达国家针对逐渐成熟的结构健康监测技术制订了相关的规范促进飞机结构在线、持续监测和快速评估能力发展飞机结构维修大纲的指导性文件 由美国航空运输协会 年制定的 将飞机结构损伤形式分为意外损伤()、环境损伤()和疲劳损伤 ()不断修订在 版 中首次加入结构健康监测技术相关内容将结构健康监测 作为一种可以考虑的进行意外损伤、环境损伤和疲劳损伤检测方法中根据结构损伤对飞机造成的影响将结构分为重要结构项目(
7、)和一般结构项目 重要结构项目是指对于承受飞行载荷、地面载荷、增压载荷和操纵载荷具有重要作用的结构细节、结构元件和结构组件它们的失效可能影响保证飞机安全性所必需的结构完整性 除 外的结构项目都是一般结构项目具体结构分类见表 所示白生宝等:飞机结构健康监测策略研究表 飞机结构分类 结构类别安全性分析要求保障安全措施控制方法典型结构一般结构项目重要结构项目()损伤容限设计结构安全寿命设计结构()一般按丧失功能和安全脱开设计继续安全飞行机翼扰流板()损伤或故障明显广泛损伤时有足够的剩余强度剩余强度燃油泄漏、可控制的座舱泄压()按维修大纲检查损伤容限评定(包括裂纹扩展和剩余强度评估)计划维修要求机翼、
8、机身、尾翼上除()、()类的所有重要结构()安全寿命结构保守的疲劳寿命疲劳起落架及其连接 按照 的框架和要求 结构分析流程如图 所示图 结构分析流程图.具体如下:)根据飞机的构型飞机区域划分及其他相关信息确定飞机结构项目)根据对 的定义和选择要求从飞机结构中确定相应的结构项目为 不满足 定义的结构项目确定为其他结构)其他结构项目分析对初始分析来说主要是参考相似机型相同部位运营维护经验及其他相关工程及研究经验)对于金属类 项目需要进行/腐蚀预防与控制 大 纲 分 析()对于非金属 项目则需要进行/分析)根据主制造商的设计原则确定损伤容限项目和安全寿命项目 项目如果是基于损伤容限理念设计需要对其进
9、行 分析目前的通用做法主要是依据工程设计部门的损伤容限分析结果进行评估得到 分析任务)不属于损伤容限项目的 结构项目都属于安全寿命项目直接给出维修或更换任务并列入适航性限制文件)所有安全寿命项目和经过损伤容限分析的 项目都属于适航限制项目并作为计划维修要求和维修审查委员会报告的附录其他 经疲劳和损伤容限分析形成的任务作为飞机结构的疲劳检查要求)由 分析、金属结构项目/分析、非金属结构项目/分析得出的任务如果满足区域候选项选择标准则作为区域检查候选项不作为区域候选项的任务列入结构修理手册()/维修大纲()的结构检查部分如果区域工作组不接受该区域候选项目则列入/的结构检查部分目前飞机现行的 定义及
10、划分程序如下:步骤 依据(航空运输协会)划分识别飞机结构部段步骤 在每个飞机部段中根据 定义确定 和其他结构项(组件级)并进行划分划分原则主要考虑结构项的接近方式、载荷状况、环境条件(选取其中一个)连接方式考虑将类似接近方式的结构归为一个 例如机翼固定前缘结构载荷状况考虑将类似载荷形式的结构归为一个例如登机门开口结构环境条件考虑将处于类似环境中的结构归为一个 例如机身长桁结构步骤 根据 定义确定 中的详细零件级去除组件级 中所包含的非 零件兵 器 装 备 工 程 学 报:/./国外飞机结构健康监测技术发展结构健康监测技术的出现给飞机结构完整性控制体系注入了新的技术实现手段从而在航空领域成为研究
11、的热点 国外先进国家航空领域研究机构在飞机结构完整性大纲和相关标准规范的要求下纷纷开展了结构健康监测技术研究.美国结构健康监测技术发展情况美国国防部在多个研究计划中提出结构健康与管理技术将作为 飞机创新技术之一进行深入研究和应用验证用于提高 飞机结构完整性 飞机结构健康监测与管理系统架构如图 所示 飞机结构健康监测与管理()应用目标是:在保证安全的前提下尽可能降低维护费用在达到维护要求前提下减少预定的检查频次完成达到要求的维护花费最少单机跟踪完全的自动化为结构寿命预测提供数据支撑 传感器数量最小化 成为飞机预测与健康管理有机组成部分预留新技术引入接口图 飞机健康管理系统结构图.飞机结构健康监测
12、与管理由 大单元组成即载荷/环境谱测量(/)、单机跟踪()和事件监测()其中载荷/环境谱测量单元主要监测飞机实际使用情况比较实际使用情况和设计包线产生更新的使用包线载荷和环境谱如图 所示采用应变片监测 框接头载荷单机跟踪单元通过载荷和环境谱监测计算飞机结构的机动载荷、着陆载荷、滑跑、起飞和其他地面操作载荷确定应力状态最后进行耐久性损伤容限计算确定裂纹萌生和裂纹扩展时间计算关键部位疲劳寿命消耗和剩余寿命评估编制维护和操作计划如图、图 所示采用声阻抗传感器监测结构腐蚀情况事件监测单元主要是监测和报告严重过载或重要事件分析并进行检查、验证判断事件是否造成安全威胁进而需要进行针对性维护图 用于载荷/环
13、境谱测量的典型应变片安装示意图./图 用于单机跟踪的腐蚀监测传感器安装示意图.图 腐蚀监测结果.美国空军研究实验室()针对 飞机提出了视情维护 结构完整性的健康管理方法如图 所示重点围绕飞机服役阶段的结构完整性控制增加结构健康监测以实现视情维护 从传统的定期维护检查向视情维护观念转变减少后勤支援范围和使用者的成本、增加飞机可用性和执行任务能力从而实现从反应/预防性维护转变为可预测/智能性维护 结构健康监测作为一项关键技术用于支撑结构状态感知和使用评估图 为飞机结构健康监测技术典型实施架构通过监测传感器获取结构载荷、损伤等关键信息通过传感器信号处白生宝等:飞机结构健康监测策略研究理结合结构物理分
14、析模型和历史经验与知识对结构健康状态进行诊断、评估图 飞机视情维护 结构完整性的健康管理框架.图 飞机结构健康监测技术实施架构.飞机采用的结构健康监测方法和技术策略如表 所示表 飞机结构健康监测技术策略 技术方法技术策略监测方法阻抗法声发射导波振动模态损伤类型复合材料分层金属腐蚀金属裂纹扩展复合材料纤维断裂金属疲劳裂纹金属腐蚀复合材料分层紧固件失效状态感知)确定可利用的传感器类型)优化传感器数量)优化传感器位置)确定传感器存活率及耐久性结构建模仿真)基于力学的结构模型)结构和传感器系统模型)结构损伤模拟数据分析)特征提取)损伤分类)寿命分析 美国波音公司将结构健康监测定义为一种结构状态评估系统
15、是实现飞机系统智能化的第一步目的是通过飞行参数和传感技术监测飞机结构载荷和识别结构损伤通过去除安全冗余实现结构减重与部件延寿通过基于状态维护减少飞机服役中由于定期结构检查所带来的停机时间监测项目主要包括飞机主结构疲劳损伤、环境损伤和偶然损伤如图 所示 波音公司采用的结构健康监测方法主要有声发射、导波、光纤光栅、比较真空度()等 飞机采用导波和光纤光栅实时监测飞机结构的健康状态 飞机无损检测手册中已将技术成熟度较高的 纳入辅助进行机翼前缘处的裂纹实时监测 监测区域及 系统组成如图 所示图 波音公司飞机结构损伤监测技术框架图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 飞机 监测区域及 系统.欧盟结
16、构健康监测技术欧盟在其多个框架计划下支持发展飞机结构健康监测其发展目标是:使用最好、最先进的传感器技术并通过一体化设计使其成为飞机结构的一个组成部分在飞机结构上实施健康监测技术大大降低维修费用增强飞机可用性并实现一定程度的结构减重 同时在能够满足预期节约成本的前提下探索研究能够革新结构件设计的监测技术在框架计划下多年来空客公司开展结构健康监测技术研究其发展历程如图 所示 目前空客公司已形成如图 所示的总体框架 空客公司结构健康监测技术发展目标是通过提高感知能力确保系统/机队寿命周期内的结构完整性 近期目标是实现数字基础设施支持结构完整性管理运行监测和损伤监测的融合提高机身结构感知能力通过综合感
17、知能力提升机器学习的损伤诊断和预测能力图 空客公司结构健康监测发展历程.空客公司采用的监测方法主要有光纤光栅、导波、比较真空度、声发射、微波天线、涡流薄膜等其在地面试验及运营环境下进行了相关的技术研究与测试 图 为结构健康监测技术在 全机疲劳试验中的应用主要采用、断裂丝、声发射技术等已形成全机结构全局监测覆盖 同时在 也开展了多种结构健康监测方法的飞行验证包括舱门碳纤维机体结构的冲击实时监测、垂尾平面连接螺钉的拉伸预应力监测、水平安定面的载荷监测等并把结构健康监测系统安装于 年 月首飞的 飞机上进行飞行测试如图 所示图 空客公司飞机结构健康监测总体框架图.图 技术在 飞机全机地面试验中的应用.
18、图 舱门机体结构冲击监测.荷兰宇航院()在框架计划支持下重点开展了结构监测技术原理研究和实验室验证目前已在全尺寸结构地面试验中实现应用 复合材料机翼盒段试验中 应用于测试如图 所示图 为监测传感器布置图对复合材料机翼监测采用的方法主要有光纤光栅()、和声发射()其中 和 监测上蒙皮 监测下蒙皮应变片测量数据与 测量数据进行对比验证 布鲁塞尔大学针对航空航天结构健康监测技术在线应用场景提出了一种特殊涂层的 传感器并对其在线应白生宝等:飞机结构健康监测策略研究用的环境适应性、可靠性、耐久性等进行了试验验证对传感器监测信号质量进行了评估结果表明该 传感器满足航空航天领域复合材料的在线健康监测图 技术
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