“悬丝诊脉”之飞机结构健康监测

王军朋

在电视剧中，经常看到御医为娘娘、公主们诊病，不能直接望、闻、问、切，只能用丝线一端固定在病人的脉搏上，御医通过丝线另一端的脉象诊治病情，俗称“悬丝诊脉”。

古时的“悬丝诊脉”不知是真是假，而今，确切的“悬丝诊脉”已重现江湖。

在航空领域，为了解决“内伤诊断，防止带病上场”的问题，美军在F-35研制任务中明确了故障预测与健康管理（PHM）的技术要求。随后，世界各国相继在不同型号飞机研制中也提出PHM的技术要求，一时间，PHM成为世界各国航空领域的研究热点。而结构PHM作为飞机PHM的重要组成部分，其重要实施途径正是传说中的“悬丝诊脉”，官名为结构健康监测技术。

飞机结构健康监测技术是指利用与结构集成一起的传感器或驱动器网络系统实现对飞机结构健康状况进行监测的综合技术。通过传感器及网络采集与结构健康相关的参数信号，建立结构健康状态特征参数与传感器信号之间的关系模型，从而获取结构的状态信息（如应力、应变、温度、损伤等），再结合先进的力学建模方法和结构耐久性/损伤容限分析技术，对飞机结构的寿命和损伤状态进行评估，从而实现对结构健康状态的连续监测。结构健康监测技术可以使飞机结构有效实施“视情维护”策略，对提高结构效率和降低维护成本有巨大的应用潜力。简而言之，就是利用声光电磁等物理原理，实现结构完整性（大健康）监测与评估的统称。

中国飞机强度研究所作为我国在航空领域开展结构健康监测技术研究较早的单位之一，针对飞机结构“内伤”早期发现和精准诊断的工程需求，开展了理论研究、关键技术攻关以及创新性的技术探索等科研工作。通过十余年大量研究与试验，在飞机结构健康监测架构与策略、传感器技术工程适用性、结构载荷/损伤监测方法、结构健康监测仪器及集成等方面取得显著进步，并结合强度所飞机结构地面试验平台开展了多层级的技术验证和测试工作，目前部分研究成果已在飞机结构地面试验应用中发挥了重要作用，“悬丝诊脉”功力凸显。下面就让我们一起看看强度所“悬丝诊脉”的过程及功效。

“悬丝诊脉”之第一丝

——状态监测

主要采用光纤光栅传感技术，实时获取结构的應变、温度特征参量，再以应变数据为输入，反演结构变形、载荷等实时状态，可谓对飞机的第一诊，确认结构健康状态是否有异常/变化。

强度所在基于光纤光栅传感的状态监测方面，实现了光纤光栅传感器的工程应用能力，建立了应变—载荷关系测试方法和模型，建立了结构应变—变形模型，开发了应变—载荷数据处理及载荷监测软件，已在地面试验中应用，并在运营飞机、地铁中拓展应用。

“悬丝诊脉”之第二丝

——损伤监测

主要采用导波和声发射传感技术，利用压电效应和声发射现象，采集损伤特征信号，通过损伤特征信号分析，实现对结构损伤进行监测，损伤监测是对飞机第二诊，可确认结构是否有损伤、损伤位置和损伤大小。

强度所在损伤监测方面，按照由元件监测试验建立基本特征信号数据库，通过细节件、组合件等逐级试验来考虑连接形式、部位、几何尺寸和环境等因素对信号的影响，进而得到实际可应用的损伤特征数据库的技术路线，开展了结构损伤监测研究。建立了基于导波和声发射传感技术的损伤监测识别、定位及定量等相关算法判据，开发了自动化分析软件和两代自主可控的导波损伤监测系统，构建了典型复合材料结构损伤诊断数据库，已在地面试验中应用，实现了结构损伤的早期预警。

强度所在健康评估方面，以无损检测、结构健康监测数据为输入，开展了监测数据驱动的健康评估方法研究，包括评估结构剩余强度和剩余寿命，国内首次构建了飞机结构健康诊断与寿命系统平台，通过在地面试验中的不断测试与优化，目前已在地面试验应用。同时，以此平台为基础，正在开展基于健康监测的飞机数字孪生技术研究。