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飞机SPHM技术的演进历程与未来发展

归档日期:07-18       文本归类:飞机荷载      文章编辑:爱尚语录

  PHM的概念是在上世纪末提出的,主要包括预测(Prognostics)和健康管理(Health Management)两部分。预测,即通过诊断部件或系统的工作状态,预计其剩余寿命或发生故障的时间;健康管理,即根据诊断和预测信息、当前可用资源和飞机部件或系统的使用需求,制定相应的维护维修策略。目前,飞机PHM技术主要面向结构、机电、航电和发动机等领域开展研究和应用。

  SPHM技术是PHM技术的重要组成部分,指利用基于飞机结构的监测信息以及其他相关信息(例如历史数据信息、同类型飞机的结构维护信息等),确定飞机结构部件是否能完成其设计功能,并对其剩余使用寿命或者正常工作时间进行预测,进而利用可用资源及使用需求对维修或保障活动做出适当规划和决策,以实现对飞机结构的“视情维护”,保障飞机结构的完整性和飞行安全。

  近年来,飞机结构健康监测(Structural Health Monitoring, SHM)技术成为SPHM技术的一个重要发展方向。它利用安装在飞机结构上的先进传感器网络,在线/离线获取与飞机健康状况有关的信息数据,特别是基于直接的或者间接的方式对结构损伤进行监测,为飞机结构健康状态的诊断评估提供数据支持。

  提高飞机结构安全性,降低结构监测维修成本,是开展“单机监控(Individual AircraftTracking)”和“视情维护(Conditional-based Maintenance)”的基础和出发点,而单机监控和视情维护则是推动SPHM发展的原动力。因此,虽然SPHM这个术语是近年来才被提出和广泛接纳,但是其核心思想和技术进步一直与单机监控技术的发展紧密结合在一起,其演进历程可以划分为四个阶段。

  第一阶段,在单机监控技术得到实际应用之前,飞机的寿命管理是基于“机群寿命管理”思想开展的,即以一种型号飞机的机群所包含的全部飞机为整体按统一的准则和方法实施管理,主要依据飞机结构全尺寸疲劳试验,并考虑结构制造质量分散性和使用载荷历程等,确定机群使用寿命。它包括两个指标:一是以飞行小时或飞行起落数为度量的疲劳寿命;二是以使用年限度量的日历寿命。但是很明显,机群管理思想带来了两方面的不足:主要是不能最大限度保证每架飞机的飞行安全,以及不能充分发挥每架飞机的寿命潜力。

  第二阶段,其主要特征是通过重心过载等相关飞行参数,计算出飞机的总体或局部的疲劳当量损伤值,进而估算飞机结构的剩余寿命。具体来讲,就是以当量损伤为指标构建每架飞机已飞载荷历程与基准谱轻重程度关系,以所得的轻重关系为基础,对每架飞机实际飞行小时数或基准谱下的安全寿命进行修正,给出每架飞机等效到基准使用情况下的已飞小时数(当量飞行小时数),或每架飞机对应其已飞历程的安全寿命(单机结构安全寿命)。通过跟踪对比每架飞机实际飞行小时数与单机结构安全寿命(或每架飞机的当量飞行小时数与基准谱下的安全寿命),来安排飞机的使用与维修工作。与“机群寿命”管理的明显区别是其考虑了每架飞机自身使用的轻重影响,实现对飞机结构使用潜力的充分挖掘,提高了飞机服役的安全性和经济性。从20世纪50年代第一代机械式“疲劳计”开始使用以来,对飞机疲劳寿命的监控工作就已经在世界主要航空强国得到了广泛的应用。我国新一代飞机都安装了电子式飞行参数记录系统,并且已经在一部分飞机上开展了基于当量损伤的单机寿命监控工作。

  第三阶段,其主要特征是基于关键部位应力历程的单机寿命监控技术。因为在第二阶段中基于飞行参数推导的当量飞行小时,是假设飞机关键部位的应力与过载呈线性关系。这个假设对于对称飞行状态(飞机各主要关键部位90%以上的疲劳损伤都是在该状态下贡献的)是成立的,但是对于飞机尾翼、操纵系统等疲劳关键部位的局部应力与重心过载不相关或相关性不大,所以需要引入基于关键部位应力历程的单机寿命监控技术。其主要技术途径是获取每架飞机各关键部位的应力谱,建立关键部位损伤的评估方法,例如经典的名义应力法、应力严重系数法或局部应变法,并经由试验验证,综合各关键部位损伤分析结果,评估单机的疲劳寿命消耗和剩余寿命预测。其执行策略是首先通过飞机的各种力学模型、地面试验和飞行试验,建立经过验证的飞行参数与疲劳损伤关键部位应变的关系;然后在服役机队中,选择少量飞机在其关键部位安装应变监测装置,对飞参-局部应变关系进行持续的验证和修正;最后,利用这个关系,实现通过飞参对整个机队中的每架飞机进行疲劳损伤监控,并以此合理调控每架飞机的飞行任务/科目,以保证机队内各架飞机的飞行小时寿命与损伤值同步达到规定值。这项工作从20世纪80年代开始,就在各个主要航空强国中开展。经过数十年的发展,目前无论从应变监测装置、飞行参数类型、载荷处理方法和系统规模等方面,都得到了很大程度的发展和提高。例如,从最初的机械式应变计,到电阻式电桥应变片,发展到现在的光纤光栅传感器(FBG)。FBG相比于传统的电阻式应变片,具有重量轻、抗电磁干扰强、寿命长等优势,是目前面向机载长期监控的最佳应变监测方案。随着飞行参数记录系统的发展,用于飞机疲劳损伤监控的飞行参数类型也从最初的加速度、空速、航向、时间和高度等五个发展到几十个。结合计算机技术的发展,载荷处理和寿命评估技术采用了专家系统、神经网络、模糊逻辑等先进数据处理技术。特别需要指出的是,在20世纪90年代研发F-35的JSF项目中,PHM概念被首次提出,针对结构的SPHM概念也在那个时候进入大家的视线并被广泛接受。随后,多款基于“预测与健康管理”概念的PHM系统被开发应用,例如PHM、IVHM、HUMS、ACAMS、ADMS系统等。这些系统中或多或少包含了面向结构等SPHM功能模块。

  第四阶段,其主要特征是利用先进智能传感器对结构损伤进行监测,来进一步提升对飞机结构状态的监测和评估能力。随着新技术在飞机设计和制造过程中的不断应用,飞机的各项性能不断增强,服役期逐渐延长,结构老龄化问题逐步凸显。另外,随着先进复合材料的大规模应用,其损伤机理乃至设计原则较传统金属材料都有了较大的不同,因而对结构损伤直接而持续的监测变得重要。然而,截止到上面所述的第三阶段,对损伤的发现和跟踪都是基于间接的力学模型测算和周密的无损检测和拆解检查来实现的,这是导致安全性保障有限而维护成本高昂的最直接原因。另一方面,随着近年来在智能材料/结构领域取得的进展,使得利用表贴在结构上的先进传感器网络在线获取结构状态信息成为可能,因此结构健康监测(SHM)技术应时而生。目前,具有较大应用前景的SHM传感器包括基于直接监测的声发射技术、柔性电涡流技术、比较真空度技术和智能涂层技术等,以及基于间接监测的振动分析技术、机电阻抗分析技术、兰姆波监测技术和分布式光纤监测技术等。这些监测手段在地面试验、飞行试验乃至服役飞机上进行了不同程度的应用,但是工程应用可靠性还有待进一步的提高。

  通过对SPHM技术演进历程的分析总结,可以看出,目前需要联合高校、专业基础院所、飞机设计所、用户等位于研发应用链条上不同位置的各种力量,针对上述不同的发展阶段,有针对性的开展联合攻关,共同致力于SPHM技术的发展。

  针对第三阶段,需要以用户和飞机设计所为主导力量,联合专业基础院所和高校,充分利用各种先进技术发展成果,在传感器可靠性、监测数据分析、损伤演化模型、系统开发等方面开展工作,开发出基于关键部位应力历程的单机寿命监控系统,尽快在提升飞机结构安全性和降低维护成本方面发挥效益。

  针对第四阶段,则需要面对当前技术成熟度有所提高但还不足以支撑工程应用的实际情况,以用户和飞机设计所的需求为牵引,以专业基础院所和高校为主导力量,在突破各项关键技术(例如环境自适应补偿技术、基于深度学习的诊断技术、数字孪生技术等)的同时,研制结构健康监测原型机,在地面结构测试、飞行测试和民机维护维修中进行试用,开展机载应用验证,并完善关键技术,最终完成结构健康监测设备的研制和定型。

  另外,高校和专业基础院所还需要瞄准未来新的结构健康监测需求开展基础预先研究,例如结构功能一体化的碳纳米管复合材料、点阵格栅结构等,面向变体飞机的结构状态监测等。

  航空工业强度所从事飞机结构健康预测和管理技术研究已有十余年的时间。作为面向工程应用的基础科研院所,在飞机结构健康预测与管理领域,强度所依托其丰富的积木式分析验证资源,联合高校和其他基础科研院所,针对各项先进监测技术,开展集成创新与集成验证工作,结合先进的数据处理与结构分析手段(例如机器学习与数字孪生),开展飞机结构健康监测方法与策略研究,致力于向工业应用部门提供可靠的飞机结构健康预测和管理技术、方案和系统。返回搜狐,查看更多

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