复合材料因其本身比强度高、比刚度高，在高温、疲劳与腐蚀等环境中耐受性优良，减震抗损，安全可靠且可设计性强，而被广泛地运用于航空航天工业的主要和次要结构件中。因此，复合材料结构的稳定与可靠直接影响了航空航天结构的能否实现安全、高效地长期运行这个目标。

 

     复合材料内部存在大量的非线性及分散性结构因素，其结构本身的强度以及破坏失效模式难以预测，并且复合材料的损伤具有隐蔽性，严重影响了航空航天结构的安全运行。

 

1、结构健康监测技术

 

      结构健康监测技术（SHM）是源于智能材料结构的概念，该技术是将传感器与驱动器按照一定方式排布在结构中，收集结构信息（应变、应力、模态、温度等），并根据收集到的结构信息对结构状态进行判断分析，监视评估结构运行状况以及检测损伤情况并且预估结构的剩余运行寿命。

 

     结构健康监测与目前常用的无损检测技术（NDT）是有着较大的区别的：常规无损检测技术需要进行停机检查，且依赖外部设备；而结构健康监测是实时传递结构信息的，无需额外的停机拆卸。

 

SHM的原理、分类、应用及其发展

 

2、航天复合材料SHM研究进展

 

随着飞行器中复合材料的占比逐渐增加，对于飞行器结构的安全性的要求也日益严苛。由于复合材料结构的损伤具有隐蔽性与复杂性，监测飞行器复合材料结构的响应、收集状态信息并判断损伤情况及剩余寿命对保证飞行器结构安全运行具有重要意义。

 

典型结构健康监测技术

 

目前常用在复合材料结构中的典型结构健康监测技术包括光纤传感监测技术、基于超声导波的监测技术、声发射监测技术以及机电阻抗监测技术。

国外在结构健康监测技术的研究上起步较早，技术相对与成熟，针对航空航天等极端工况下的应用研究较为全面；国内起步较晚，然而发展迅速，在基础研究以及民生应用方面较为成熟且全面，而在航空航天等极端环境下的研究规模较小，应用经验尚待丰富。

 

1、光纤传感监测法

 

光纤传感器的操作原理是当光源发射的光束通过光纤传输到调制器，在调制器内部，该光束与外部测量参数进行交互，导致光的光学特性（例如强度、波长、频率、相位和偏振状态）发生变化。这种变化产生了被调制的光信号。然后这个被调制的光信号通过光纤传输到光电设备，并在经过解调器处理后，得到了被测参数。

根据传感器工作原理，迄今为止开发的用于SHM的光纤传感器可分为三种主要类型：干涉式、光栅式和分布式。这三种传感器除了工作原理不同外，还提供了不同的空间分辨率测量能力。

 

 

光纤传感的主要模块

 

 

光纤传感器的基本原理和类型

 

准分布式和分布式光纤传感器在航空航天结构健康监测领域具有更大的潜力。2023年，那不勒斯腓特烈二世大学的Pasquale等基于布拉格光栅传感器（FBG）开发了一种能够连续远程监测航空结构粘接质量的的新方法，该方法利用了光纤传感器由温度引起的应变敏感性与粘接质量的敏感性之间的关系，能够监测到仅有几摄氏度的热变化。

中航工业计量所的王文娟等将FBG传感器埋入了飞机结构内部，通过其监测到的波长的突变来判断结构是否受到冲击，并且定位冲击位置，误差小于5 cm，提高了结构的安全与可靠性。

 

FBG传感器及其排布方式

(a)传感器布置位置及测试系统；(b)光纤光栅传感器及解调仪

综合国内外研究，基于布拉格光栅的光纤传感器与分布式光纤传感技术是目前最具潜力的光纤传感监测技术，并且相关研究多数集中于传感器精度、应用环境以及大型光纤传感器网络的构建。

 

2、基于超声导波的监测技术

 

基于超声导波的结构健康监测技术的原理主要是利用导波在传播时，经过损伤部位时会令导波发生散射，改变其传播特性，通过信号处理方法即可获取损伤参数并判断损伤情况。

由于航空飞行器结构中板结构居多，因此板波在航空SHM中的应用逐渐增多，其中最具有应用潜力的是兰姆（Lamb）波，兰姆波是一种在具有平行自由边界的板状薄板中传播的导波。

基于超声导波的结构健康监测原理：(a) 被动监测；(b) 主动监测 

 

国内研究方面，南京航空航天大学针对兰姆波监测过程中损伤散射信号的信噪比进行研究，提出了基于时间反转聚焦原理的信号增强与损伤成像方法，根据兰姆波的特性，用聚焦的方法放大散射的信号能量，从而增大信噪比，研究表明该方法能够较为准确的监测出损伤的位置与范围等信息。

国外方面，伦敦大学研究材料各向异性和方向性对准各向同性CFRP面板损伤周围导波散射的影响，通过非接触式激光测量和全三维有限元模拟，研究了人工插入分层和永磁体周围的模式的多个入射波方向，分析并比较了两种损伤类型的散射模式，总结了材料各向异性对兰姆波的影响规律，为后续设计用于监测复合材料结构的兰姆波监测系统提供了参考。

 

CFRP层合板导波散射影响试验示意图(a)试验装置；(b)传感器位置示意

 

CFRP层合板对兰姆波的散射影响

3、声发射技术

 

声发射（AE）是一种物理现象，其发生在材料受到外部力或内部应力的影响时。当材料的局部区域出现应力集中，会以瞬态弹性应力波的形式释放能量。这种能量释放过程即为声发射。

声发射技术原理示意图

 

荷兰帝斯曼研究所的Groot等研究了不同加载条件下CFRP失效时声发射信号的频率响应。研究表明，基体失效和纤维失效分别产生100 kHz和300 kHz频率的弹性波，而间歇频率响应则针对脱粘和拉出失效，对每一类故障进行实时分析。

北京机电工程研究所的肖登红等开发了一种利用声发射技术监测随机振动环境下C/SiC结构损伤特性的方法，分析了随机振动试验中典型声发射信号的参数特征，得到了声发射信号参数与振动载荷之间的关系，结果表明，声发射技术可以有效地应用于研究C/SiC复合材料在随机振动环境中的损伤行为。

用于声发射的光纤传感器结构

复合材料层合板中声发射传感器监测结果

 

4、机电阻抗法

 

局部微裂纹的形成和扩展会对结构局部的机电阻抗产生影响。基于机电阻抗的SHM技术利用附着在结构上的小型压电传感器作为自感执行器，通过高频激励同时激励结构，并监测传感器电阻抗特征的变化，从而进行结构健康监测。

里加工业大学的Pavelko等采用基于EMI技术对飞机全尺寸部件螺栓连接进行结构健康监测，并建立了新的EMI二维模型，事实证明，螺栓接头的松动会导致EMI指标发生显着且统计上稳定的变化。

南卡罗莱纳大学的Roth等采用EMI方法对航空航天结构中粘合剂的剥离行为进行了监测，开发了一种连续监测原位粘合接头的方法，以便粘合剂可以用于主要的航空航天结构，试验结果表明，该方法能够准确预测引起脱粘局部振动的频率。

机电阻抗法试验装置

 

 

 

结构健康监测技术的应用

 

从结构的角度，列举了几种航天飞行器中的典型复合材料结构：燃料贮箱结构、热防护结构、发动机结构以及机翼前缘结构等其他结构，并且通过列举与总结结构健康监测技术在典型航天复合材料结构中的应用与研究案例对目前航天复合材料结构健康监测技术的发展情况以及后续趋势进行了系统的分析与总结。

液氮复合罐中压电陶瓷传感器（PZT）布局图

 

JAXA可重复使用火箭第四次静态发射试验

 

复合材料包覆压力容器传感器结构

采用声发射技术探究燃料贮箱的损伤机制

 

 

热防护（TPS）结构分级健康监测系统

 

 

TPS结构高温气流损伤导波监测平台

 

 

机翼前缘碰撞检测系统示意图

 

结果表明，目前针对航天复合材料结构健康监测技术的应用及系统布置多集中于燃料贮箱结构、发动机结构等敏感性较高的结构，由于这些结构的工作环境较其他部位更加恶劣，目前针对航天复合材料结构健康监测技术的研究多集中于系统元件的可靠性，如传感器的环境补偿、数据传输的完整性等等。

 

SHM的典型评估方法

 

目前航天复合材料结构健康监测技术中的典型评估方法包括基于响应的方法、基于可靠性的方法、 特征提取方法、计算机视觉以及机器学习等，通过列举部分研究与应用案例对结构健康监测技术评估方法进行了总结。

 

损伤识别方法示意图

结构劣化监测流程图

计算机视觉SHM示意图

实际弹性模量退化与人工神经网络模型预测结果的比较

 

复合材料的损伤模式示意图

结果表明，目前对于评估方法的研究多集中于信号收集精度、数据处理算法的效率以及数据储存方式等方面，结合力学原理并且着重于判断复合材料损伤模式、分析损伤成因以及损伤演化进程的结构健康监测技术目前研究得并不全面，针对该方面的技术研究将成为后续发展的一个重点。

 

3、未来研究方向展望

 

航天飞行器复合材料结构健康监测技术的未来研究方向包括：

 

(1) 目前应用于航天结构的结构健康监测技术大多数来源于航空结构，针对航天结构工作环境特有的结构健康监测技术需要进行研究，例如针对航天极端环境下的传感器结构相关研究。

 

(2) 随着结构健康监测技术所应用的范围增大，结构健康监测系统所采集的数据量日渐庞大繁杂，需要更新数据处理技术从而能够在海量的数据中取得有效的特征信息以实现对结构的更加精确的监控。

 

(3) 随着针对结构健康监测系统各部分的研究更加完善，关于结构健康监测技术的系统集成技术亟待深入研究，从而实现对航天复合材料结构的全方位的监测与管理。

 

(4) 航天复合材料结构的制备方法多采用一体成型，将结构健康监测技术与航天结构设计、制备相结合而成的融合技术有利于实现结构与监测的一体化与协同化。

 

(5) 结构健康监测技术的核心始终是损伤识别以及结构剩余性能、寿命的分析评估，因此结合了力学原理的结构健康监测技术评估方法更有利于可重复使用航天结构、航天结构的视情维修以及航天器自修复结构的发展。

 

作者：刘青旭1,2，陈海峰3，BRYANSKY Anton1，熊健1,2，韦兴宇1,2

 

工作单位：1.哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所

 

2.哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室

 

3.北京空间飞行器总体设计部

 

通信作者简介：韦兴宇，博士，助理教授，硕士生导师，研究方向为超轻高稳复合材料结构设计、制备及力学性能表征及评价。

 

来源：《复合材料学报》