飞机结构健康监测技术的机遇与挑战

飞机结构健康监测(SHM)技术自其概念提出以来经历了快速的发展,但是在向航空工程应用转化方面面临着瓶颈,本文试图解释其根源并为后期的发展提供清晰的途径。从结构完整性大纲发展史和飞机结构设计思想演变过程的角度,分析了飞机结构健康监测技术发展的必然性。对飞机结构设计要求及结构安全控制体系进行了分析,证明结构健康监测技术在提高飞机结构安全和可靠性水平、降低维护成本方面具有巨大潜力,将会对未来飞机结构设计理念带来革命性的影响。对飞机结构健康监测的策略进行了分析,介绍了国内外飞机结构健康监测技术研究的最新进展,探讨了飞机结构健康监测技术的发展方向。     

复合材料飞机结构健康监测系统的若干问题探讨

针对飞机复合材料结构状态监测技术,从结构健康监测系统、结构健康监测研究对象和损伤识别方法,以及复合材料飞机的结构设计和结构健康监测系统三方面之间的关系进行阐述。分析了复合材料飞机结构健康监测系统的发展趋势,并讨论了制约该技术发展的因素。     

基于结构状态的飞机维护策略研究

根据飞机结构设计与维护趋势以及结构健康监测技术发展现状,提出飞机全寿命周期内基于结构状态的飞机维护策略,在保障飞行安全的前提下提升维护任务的合理性,降低维护成本。     

飞机结构健康监测技术

飞机结构健康监测技术已经在实验室实验及飞行试验中得到了成功验证,随着技术成熟度的持续提升,在未来数年,该项技术具备极大的装机应用的可能性。飞机结构健康监测技术是一项通过传感器等硬件获取结构或系统数据信息为核心的创新性技术,该项技术能够在飞机的设计、制造、运营和维护等各个过程中发挥重要作用,同时,也是未来智能航空的关键组成部分。此外,随着人工智能、大数据、5G以及物联网概念的推进,航空结构健康监测技术的发展得到了一次飞跃的契机。本文首先全面的分析了飞机结构健康监测技术为航空领域带来的益处,并对其关键技术和应用现状进行了系统性的阐述,最后基于现有理论知识与先前工程经验创新性地提出一套民用飞机健康管理策略。     

在核爆炸冲击波环境中飞行飞机的结构动力响应分析

着重分析在核爆炸冲击波环境中飞机结构动力响应有关问题,推导了动力学基本方程,介绍了飞机在核爆炸冲击波中非定常气动载荷计算方法,给出了结构动力响应分析的思路和计算过程,提出了飞行飞机在核爆炸冲击波作用下总体结构安全边界值的估算方法,并对存在的问题进行了讨论。     

进气道结构完整性评定技术研究

进气道结构完整性评定是飞机结构平台研制关键技术,确保整个寿命期的飞机安全。介绍了先进歼击机进气道结构及载荷特点。研究了进气道结构完整性评定的两项关键技术:即基于结构几何非线性数值分析的结构总体和细节参数的确定技术和声疲劳试验件的设计及声载荷谱的制定技术。提出了技术解决方案并给出了成功应用实例。     

飞机结构数字孪生关键建模仿真技术

飞机结构安全性设计思想经历了从静强度设计、安全寿命设计、损伤容限与耐久性设计到单机追踪的演变,未来有进一步向结构数字孪生的方向发展的趋势。飞机结构数字孪生是数字线程驱动的,多学科、多物理、多尺度、多保真度、多概率的模拟仿真系统,采用在线传感器监测、离线地面检查、飞机运行历史等多源数据,反映并预测对应飞机结构实体在全寿命周期内的行为和性能,有望革新现有的飞机结构使用和维护模式。面向疲劳寿命管理,提出飞机结构数字孪生的5项关键建模仿真技术,分别是载荷和损伤的数据获取技术、多尺度建模和力学分析技术、含裂纹复杂结构的精确高效仿真技术、基于降阶的数字孪生高效建模技术和考虑不确定性与多源异构数据的剩余寿命评估技术,并详细探讨这五项关键技术的研究现状与发展方向,为飞机结构数字孪生的系统研究与工程应用提供参考。     

民用飞机机身蒙皮对接结构疲劳分析及试验

在对细节疲劳额定值(DFR)方法深入研究的基础上,对 MA700飞机机身蒙皮典型对接结构进行了疲劳寿命分析,确定了该结构的载荷传递及一系列修正系数,得到了结构疲劳寿命分析结果.     

飞机结构损伤处理的强度评估问题分析

飞机生产和使用中会遇到许多结构的损伤问题,损伤结构需要去补强。为了保证结构的安全性,补强方案需要强度专业重新进行强度评估。文中给出了补强结构的强度计算,首先要遵循等强度和等刚度的原则,不能做到时应采取的校核方法。详细讨论了结构典型补强方案,分别在拉伸和压缩载荷作用下的强度评估方法及强度评估应该注意的细节问题。对补强后的飞机结构的传力路线及载荷重新分配工程方法进行了说明,也对补强件材料和连接的选择做出了分析。文中对典型补强结构形式进行了强度评估,并根据计算结果,就如何对损伤补强方案进行完善和改进给出了建议,以保证补强结构的强度满足飞机使用要求。     

航空工业出版社精品书信息

海军飞机结构腐蚀控制设计指南本书重点阐述了海军飞机结构腐蚀防护与控制综合设计技术,部分涉及相关的其他技术(如耐久性等),主要内容为海军飞机的使用环境及环境/载荷谱编制、结构腐蚀与控制、常用材料腐蚀特性及限用要求、表面防护技术选择、通风、排水、典型零组件与特殊结构/机构腐蚀防护与控制设计以及腐蚀试验、使用维护和腐蚀损伤修理与检测、生产制造过程中的腐蚀控制,并给出了大量可供借鉴的设计范例。     

基于飞行参数的飞机结构载荷最优回归模型

基于飞行参数获取外场飞机疲劳关键结构载荷历程是结构故障预测与健康管理系统的一项关键技术,如何构建鲁棒性好且精度高的结构载荷回归模型是保证载荷识别和寿命预测准确性的关键。结合多元线性回归分析,提出并详细介绍了一种筛选最优输入参数组合的技术途径：首先,进行多重共线性诊断以减弱自变量之间的多重共线性;然后,进行残差分析,删除异常样本点;最后,采用逐步回归法筛选出最优自变量组合。指出传统的多重共线性诊断方法存在一定弊端,并分别基于偏相关系数法和辅助回归方程法,提出了2种更为合理可行的诊断方法。以典型战斗机翼身连接框某关键部位的载荷和应力为样本数据,对最优输入参数组合的筛选步骤展开详细说明,验证了所提出的技术途径不仅可以确保飞机结构载荷模型的精度,而且可以提高模型的稳定性和鲁棒性。     

Improving accuracy of damage quantification based on two-level consistency control of PZT layers

Structural health monitoring-based quantitative damage diagnosis technique plays a key role in real-time condition monitoring. Among the current research, piezoelectric (PZT) sensor and Guided Wave (GW) based damage quantification methods are promising, which normally establish a calibration model between GW feature and damage degree by experiments on batch specimens, and then conduct the calibration model on the monitored specimen. However, the accuracy of PZT and GW based damage quantification is affected by dispersion introduced by sensor network performance, structural material, and damage propagation among the adopted batch specimens. For improving the accuracy of damage quantification, this paper adopts PZT layer as sensor network and creatively implements theoretical and experimental research on batch PZT layers consistency control. On one hand, a two-level consistency control method based on multidimensional features-Euclidean distance is proposed to ensure the performance consistency of PZT layers placed on different specimens. On the other hand, experimental research on typical aircraft lug structures is also carried out to evaluate the requirement on performance consistency of PZT layers when performing quantitative damage diagnosis, and further verify the proposed two-level consistency control method. Experimental results show that the accuracy of damage quantification raises by 38% when the dispersion of different PZT layers is controlled within 5%.     

Review and propositions for the sliding/impact wear behavior in a contact interface

A thermal-solid-liquid complex operational environment induces structural interface developing a typical coupling sliding/impact wear behavior. It results in contact damage until systems fail, which may cause significant economic losses and catastrophic consequences. The key point of solving this problem is to reveal the coupling damage mechanism of the sliding/impact behavior in typical systems and life characterization under a complicate evolving environment. This has been a hot topic in the area of mechanical reliability. The main work in this paper can be concluded as follows. Firstly, the main industries in which the “sliding/impact behavior” takes place have been introduced. Then, existing studies on the wear mechanism and degree analysis are presented, which includes surface morphology analysis, wear debris analysis, and wear degree measurement. Meanwhile, existing problems in theoretical modeling and experiments in current research are summarized, so as to point out a bright direction for future research on wear prediction. They include interface contact modeling, mathematic coupling mechanism modeling, wear equation establishment, and wear life characterization, which can provide some new ideas for improving the existing studies on the sliding/impact wear behavior.     

先进战斗机寿命设计与延寿技术发展综述

轻质长寿命一直是飞机结构强度设计所追求的目标,也是一代又一代结构强度工作者所面临的永恒主题。随着国内外航空工业的发展、疲劳设计理论以及现役飞机延寿工程的开展,飞机寿命设计与延寿技术取得了快速发展。本文从20世纪60年代飞机设计中引入疲劳设计开始,以疲劳设计准则的发展为主线,对分散系数的确定、载荷谱编制技术、飞机寿命设计与延寿技术、日历寿命评定、单机寿命监控等技术的形成与发展进行综合论述。有成功的经验,也有失败的教训,从实践中发展出疲劳设计的理论体系、分析方法与规范标准,带来了飞机设计寿命指标的不断提升,保障服役飞机的飞行使用安全。提出耐久性/损伤容限设计思想是目前及未来飞机长寿命设计及延寿的主要设计思想,全尺寸耐久性/损伤容限试验是飞机定寿、延寿最主要的技术途径,结构细节设计、耐久性预防性修理以及单机寿命监控也是确保长寿命设计指标实现和现役飞机延寿成功不可或缺的技术手段。     

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。     

温度对压电陶瓷传感器信号传输的影响研究

近年来,飞机结构健康监测技术得到了快速的发展,并在航空航天等领域得到了广泛的应用,特别是在碳纤维复合材料结构的状态监控与损伤诊断方面更是明确了功能材料与智能结构的发展趋势。首先分析了航空领域典型的结构健康监测技术,包括模态法、机电阻抗法、超声法、声发射法、Lamb波法,并对其中的Lamb波法进行深入讨论。而后,开展了基于Lamb波技术的温度对压电陶瓷传感器信号传输影响的实验研究。该研究考虑了实验装置及传感器在高温环境下的特性,特制了用于测试压电陶瓷传感器信号传输特性的高温实验装置,将压电陶瓷传感器通过机械方式安装于实验装置上,开展环境实验。分别对五档不同温度下的实验结果进行分析,研究结果表明:温度对压电陶瓷传感器信号传输具有一定影响,并给出了信号受温度影响的变化规律。     

某歼击机机身主承力框的耐久性分析

 对已服役的某歼击机最重要的关键件——机身主承力框进行了耐久性分析,通过修理前后的原始疲劳质量评估与经济寿命预测,给出了合理的修理大纲,使该构件的经济寿命达到用户提出的使用寿命要求。     

民用飞机副翼舱结构振动疲劳寿命预计

副翼舱是民用飞机重要部件之一,主要作用为连接副翼并对安装副翼提供支持,将副翼的气动载荷传递到主翼盒上。当受到气动力及其他激励时副翼舱结构产生结构振动响应。副翼舱结构振动疲劳寿命需满足民用飞机适航条款要求,为表明满足适航条款符合性,对随机动载荷激励下副翼舱结构进行振动疲劳寿命预计具有重要意义。以民用飞机副翼舱结构为研究对象,基于试飞实测应变数据、金属材料的随机振动S-N曲线和改进声疲劳寿命估算法,提出了一种适用于振动疲劳寿命预计的工程处理方法。通过飞行试验、有限元仿真、数据分析等相结合的方法进行副翼舱结构优化前后的振动疲劳寿命预计。副翼舱结构优化前损伤位置预测寿命最低为59飞行小时,符合实际损伤位置寿命情况。副翼舱结构优化后应力水平明显降低,寿命满足要求。结果表明：基于实测数据的副翼舱结构振动疲劳寿命预计方法有效,可作为振动疲劳寿命预计的工程处理方法。     

Individual aircraft life monitoring: An engineering approach for fatigue damage evaluation

Individual aircraft life monitoring is required to ensure safety and economy of aircraft structure, and fatigue damage evaluation based on collected operational data of aircraft is an integral part of it. To improve the accuracy and facilitate the application, this paper proposes an engineering approach to evaluate fatigue damage and predict fatigue life for critical structures in fatigue monitoring. In this approach, traditional nominal stress method is applied to back calculate the S-N curve parameters of the realistic structure details based on full-scale fatigue test data. Then the S-N curve and Miner’s rule are adopted in damage estimation and fatigue life analysis for critical locations under individual load spectra. The relationship between relative small crack length and fatigue life can also be predicted with this approach. Specimens of 7B04-T74 aluminum alloy and TA15M titanium alloy are fatigue tested under two types of load spectra, and there is a good agreement between the experimental results and analysis results. Furthermore, the issue concerning scatter factor in individual aircraft damage estimation is also discussed.     

基于模糊可靠性的飞机结构腐蚀疲劳寿命评定

腐蚀和腐蚀疲劳大大降低了LY12CZ铝合金的材料性能,严重地威胁着飞机的结构完整性和使用安全。飞机结构失效过程与所受的载荷、材料特性、服役的腐蚀环境等因素有关,由于各因素联合作用,失效过程损伤机理相当复杂,既有随机性又有模糊性。针对目前腐蚀疲劳寿命评估的常规概率方法的缺陷,基于通过对海军航空部队调研得到的飞机实际使用载荷谱,提出更合理、更贴近实际情况的模糊可靠性评估方法。讨论了蚀孔形状比和各模糊因素对结构寿命的影响规律,研究结果表明该模糊可靠性方法可以应用于飞机结构的腐蚀疲劳寿命评估。