基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.     

腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测

铜薄膜传感器在飞机金属结构损伤监测过程中,将长期面临大气腐蚀环境的影响。针对此背景,研究了铜薄膜传感器在腐蚀环境下的耐蚀性能,及腐蚀后的疲劳裂纹监测性能。首先,采用脉冲偏压多弧离子镀技术在不同弧电流和基体负偏压水平下制备了一系列铜薄膜,对其耐蚀性能进行了对比研究。结果表明,在弧电流60 A和基体负偏压250 V时沉积的铜薄膜耐蚀性能最佳。然后,结合耐蚀性能最佳的沉积工艺参数,在2A12-T4铝合金中心孔板试件上制备了同心环状铜薄膜传感器阵列,并开展了盐雾腐蚀试验。最后,对腐蚀试验后的铜薄膜传感器进行了疲劳裂纹监测试验。结果表明:铜薄膜传感器在腐蚀环境下具有良好的耐蚀性能,耐蚀时间达1 000 h;腐蚀试验后的铜薄膜传感器对裂纹变化敏感,能实现对裂纹定量监测,监测精度为1 mm,监测结果具有良好的可重复性。     

基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统

针对车辆超载运输,深入研究了车载称重技术,设计了基于车载称重装置的短消息技术的车辆超载监测系统.利用安装在汽车钢板弹簧上的粘贴式应变传感器测量车辆钢板弹簧承受的载荷信息,计算显示车辆总载荷,在车辆超载的情况下车辆超载监测装置启动车载短消息终端以短消息形式发送超载信息,并将数据提供给相关部门.系统经过反复的试验验证,能够准确地检测出车辆的载重状态,可用于交通部门和路政部门对载重车辆进行收费、管理和处罚.      

基于振动声调制的板类结构裂纹定位成像

针对线性Lamb波在监测闭合裂纹及微裂纹方面的不足,基于振动声调制理论,提出了一套板类结构中裂纹损伤定位方法。通过分析仅有高频(HF)激励和高低频(HF和LF)同时激励时,声波在含裂纹结构中的传播路径及其信号成分组成,提出了一种含损伤信息信号的提取技术,继而结合延时叠加算法,参考有基准的线性Lamb波损伤定位方法,对板类结构中的疲劳裂纹进行了定位成像。试验证明,该方法可在无需原始健康基准信号的前提下,有效定位出平板结构中的疲劳裂纹,为结构中接触类损伤的定位成像提供了思路。     

基于等效传感器和插值法的燃油量测量算法

以某型号飞机的机身油箱为例,提出了等效虚拟传感器的方法,将多根传感器测量值所确定的燃油面,用油箱中某个特殊位置的一虚拟传感器的值等效表示.建立虚拟传感器长度、飞机姿态中俯仰角和横滚角与燃油体积关系的三维数据表,利用插值的方法得到燃油量的近似值.利用Solidworks三维辅助设计软件对运用等效原理和插值法得到的燃油量进行验证,结果表明该方法测量精度高,计算结果可靠.而且等效原理的利用,使插值法涉及的数据量大大减少,达到了压缩数据的目的,便于在实际系统中的实现.      

工程系统健康描述及基于GFRF方法的健康监测

健康管理概念是伴随着工程系统应用而产生的.针对目前复杂系统综合健康管理技术领域缺乏有效的系统健康表示方法的问题,提出了健康向量、健康指数、健康函数、健康态变映射、健康状态映射等一系列描述工程系统健康的基本概念.与传统的部件状态参数描述方法相比,引入健康向量等概念可以全面地描述系统级健康,并且能够有效地刻画系统健康的动态变化本质.分析了Volterra级数系统描述方法和广义频率响应函数分析技术,利用系统健康形式化定义构建系统健康向量,讨论了一类非线性系统基于广义频率响应函数的健康监测技术.以非线性弹簧-阻尼-质量块系统为研究对象,通过仿真计算,给出了系统健康监测数据与系统健康指数的对应关系.仿真实验结果证明了系统健康形式化描述方法的有效性以及基于广义频率响应函数健康监测方法的可行性.      

基于Weibull分布的疲劳加速腐蚀因子分析

考虑预腐蚀对飞机结构疲劳寿命的影响,建立了疲劳寿命服从Weibull分布的 加速腐蚀因子确定方法.假设预腐蚀疲劳寿命服从Weibull分布,特征寿命随时间呈指数规 律变化,推导得到了以疲劳寿命为腐蚀量的加速腐蚀因子表达式,以及在工程常用的时间范 围内加速腐蚀因子与腐蚀时间无关的结论;进行了相关参数估计,建立了加速腐蚀 因子的估计方法,得到了加速腐蚀因子估计量的近似分布,对其进行了统计分析.      

基于寿命包线的飞机典型搭接结构腐蚀疲劳寿命预测

针对飞机在腐蚀环境下服役的寿命预测问题,开展了某型飞机机身壁板搭接结构的腐蚀-疲劳交替试验。基于试验结果和飞机结构寿命包线理论体系,建立了该型飞机机身壁板搭接结构在不同服役地区、不同飞行强度下的寿命包线,并基于寿命包线对其剩余寿命进行了预测。通过开展验证试验,将试验结果与计算结果进行对比,发现预测误差为17.4%。说明结构寿命包线是飞机典型搭接结构寿命预测的有力工具,其预测结果是飞机服役过程中检修周期及寿命管理的一项重要参考依据。     

基于混合人工鱼群算法的传感器网络优化

针对传感器网络节点优化的问题,提出一种混合人工鱼群算法.该算法在人工鱼群算法优化的末段引入模式搜索法,以人工鱼搜索到的最优解作为模式搜索法的初始解,利用模式搜索法的单调搜索特性,将解引向全局极值.新算法保留了人工鱼群算法全局搜索能力强、寻优速度快的特点,使寻优精度得到了提高.仿真实验表明:混合人工鱼群算法能够有效地优化传感器网络节点部署,提高覆盖率.     

基于静电互相关灵敏度加权的气路碎片监测

由于静电传感器阵列（ESA）安装位置及电极数目受到工作环境限制,导致航空发动机故障预测与健康管理（PHM）系统的线性独立测量信息数较少。针对此问题,提出了一种基于静电互相关（CC）灵敏度加权的气路碎片监测方法,在同一电极数目的条件下利用互相关聚焦原理有效增加了能够表征不同敏感区域的测量信息。在此基础上设计了8电极ESA,建立了不同电极对的互相关灵敏度分布,并以获取的16个相关速度值对其进行加权计算,计算结果反映了带电碎片的速度和位置信息。带式静电实验装置和颗粒落体实验装置的实验结果验证了所提方法的有效性,对单颗粒与多颗粒的监测结果和实际分布的平均相关系数分别达到了0.668与0.652,提高了PHM系统的监测信息量和稳定性。      

柔性涡流阵列传感器孔边裂纹监测技术

针对这一问题,提出了一种带双面补强的柔性涡流阵列传感器并用于孔边裂纹监测。通过COMSOL有限元软件建立传感器和被测试验件的有限元模型,分析提离距离、垫片磁导率变化和裂纹扩展对传感器输出信号的影响;制备带补强和不带补强的传感器,并开展挤压实验和在线疲劳裂纹监测实验;根据实验结果和仿真结果之间的差异进行误差分析。结果显示：随着提离距离和垫片磁导率的增加,传感器输出感应电压逐渐增大;传感器裂纹监测灵敏度随着提离距离的增加而逐渐减小;带补强的传感器可以在螺栓拧紧扭矩为63 N·m的条件下工作,而不带补强的传感器在拧紧力矩为50 N·m时完全失效;通过在线疲劳裂纹监测实验验证了带补强的传感器对裂纹具有定量监测能力,裂纹监测精度与激励线圈之间的间距一致,可达1 mm;实验结果与仿真结果之间的差异主要由提离距离引入。     

基于预测碰撞点的剩余飞行时间估计方法

分别针对顺轨与逆轨拦截飞行轨迹的特点,设计了相应的剩余飞行时间（TGO）估计方法。该方法通过对弹目碰撞点的预测,降低了发射条件差异对TGO估计精度的影响。首先对线性比例导引运动方程进行变形,得到拦截弹飞行轨迹关于弹目距离的一阶微分方程,基于预测碰撞点,对不同初始发射角造成的积分结果误差进行修正,得出了2种拦截模式下的TGO解析表达式。通过与3种现有估计方法对比分析,验证了提出方法的实时性和估计精度,且能够优化制导性能。      

基于刚度下降的疲劳累积损伤模型的研究

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤是十分复杂的,对损伤的精确建模是关系到复合材料力学行为描述的关键问题.从应变等效性假设出发,通过分析和描述疲劳过程中刚度和应变的演化规律,提出能够描述材料疲劳损伤演化过程的、以应变定义的和在疲劳过程中真实地反映材料动态本构关系的损伤因子,建立考虑残余应变的刚度下降复合材料疲劳损伤模型.T300/KH-304是我国新近研制的高性能航空复合材料,应用此模型开展对其疲劳损伤行为的分析与研究.在岛津液压伺服试验机上,加载频率控制在4.1 Hz,对这种材料的层合板进行4个常幅应力水平的疲劳实验,建立了T300/KH-304复合材料的疲劳模型的数学表达,经验证模型优于经典的疲劳模型的S-N曲线拟合精度,最大的误差仅为2.4％,且能反应疲劳损伤的发展规律.      

光纤读出的微光机电振动传感器

针对采用半导体工艺加工的微机械结构对振动进行测量的问题,提出了基微光机电系统(MOEMS)结构并采用光纤读出的振动传感器的设计方案,分析了该传感器的基本测量原理并推导了数学模型.该传感器采用单光纤的读出方式,利用固定于探测器敏感头前端的微结构感受待测物体的振动,通过测量由微结构振动引起的反射光强度的变化,实现对振动的测量.单光纤结构的使用和微结构参数的合理设计,使得该系统与传统的光纤读出系统相比,具有灵敏度高、尺寸小、易于同光纤匹配的特点.应用该系统对压电陶瓷的振动情况进行测量,可探测到0.18nm的位移.      

基于MEMS器件的旋转调制式航姿参考系统设计

为实现中精度、低成本的航姿测量系统,提出了一种基于低精度MEMS(Mi-cro Electronic Mechanical System)陀螺旋转调制技术的解决方案.系统采用四元数及三子样法进行航姿解算,可选用全自主及快速两种对准模式.全自主对准采用基于速度观测的Kalman滤波方案,利用30(°)/h的MEMS陀螺可实现优于5°的航向对准精度;快速对准时航向角由磁场计提供,经磁罗差补偿后航向精度优于0.4°.静态及动态实验结果表明:旋转调制可将MEMS陀螺的精度提高30倍左右,系统在1 h内的航姿保持精度优于1°.     

基于Lamb波气体传感器的数据采集仪

Lamb波气体传感器因其具有高灵敏度、低损耗、多模式特性,在气体传感领域中展示出十分广阔的工业应用前景。然而,迄今为止,Lamb波气体传感器尚处于实验室基础研究阶段,其测试是基于网络分析仪,需人工读取测试结果并计算,不能实现自动获取被测参数,这在很大程度上限制了传感器的实际应用。针对现有测试技术的不足,研制了一种针对Lamb波气体传感器的数据采集仪。利用直接数字频率合成技术和嵌入式技术获取传感器的幅频特性和相频特性,通过多峰值快速搜索算法提取各个模式的最大峰值信息,并对传感器进行了各个模式下的扫频测试实验和算法验证实验。实验结果表明,采集仪能准确获得传感器的频率特性数据,并能实现一定频率范围内多个峰值信息的获取。再结合气体测量的相关模型,可直接输出参数测量结果,实现气体参数的自动检测。     

基于PSD的触须传感器及在移动机器人中的应用

针对视觉传感器无法解决的移动机器人的全天候避障问题,设计了一种触觉传感系统.利用位置敏感探测器(PSD,Position Sensitive Detector)作为触须根部的检测元件,设计了一种机械结构,利用一个直接连接在触须根部并侧向出射激光的激光器,解决了触须安装困难以及安装误差对测量精度影响较大的问题;提出了两种全新的检测机器人本体与墙体之间夹角的方法,可实现机器人近墙行走,对两种方法的优劣进行了比较,最后通过实验证明了此两种方法的可行性,并对测量产生的误差进行了分析.     

整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测

裂纹是线性摩擦焊整体叶盘结构制造过程中叶片焊缝区域常见的缺陷类型之一。由于叶片焊缝区域结构复杂且裂纹缺陷尺寸小,因此焊缝区域裂纹缺陷的检测难度大。为了满足新工艺的应用要求,研究了焊缝区域的相控阵超声全覆盖检测方法,建立了焊缝区域相控阵超声检测的有限元仿真模型,研究了裂纹特征参数和声束聚焦点位置对检测方案的影响,验证了检测方案的可行性与正确性。构建了机器人化的相控阵超声检测系统,模拟了声束在线性摩擦焊叶片试样中的传播过程,实现了对叶片中预制裂纹缺陷的识别。研究结果表明,设计的检测方案能够满足叶片快速检测的要求。