飞机结构健康监测技术发展研究

介绍了结构健康监测技术(Structural Health Monitoring,SHM)的概念以及主动和被动损伤监测方法的原理,分析了飞机结构健康监测技术的国内外研究现状,阐述了比较真空监测(Comparative Vacuum Monitoring,CVM)传感技术、智能涂层传感器技术、光纤传感技术、压电传感器(Piezoelectric Sensors,PZT)技术和无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)等目前较为先进的传感技术的原理以及传感器技术在各类装备上的应用情况,介绍了飞机结构健康监测技术在F-35联合攻击机(Joint Strike Fighter,JSF)上的典型应用。指出飞机结构健康监测技术正向智能化方向发展;未来需要重点研究传感器网络的智能诊断技术、复杂环境下的SHM技术、基于结构健康监测的健康管理技术、智能材料/结构健康监测技术,并将深度学习、数字孪生等前沿技术应用于航空领域,以推动我国飞机结构健康监测技术发展。

基于健康监测的飞机结构寿命预测技术

飞机结构健康监测技术在飞机的结构设计、飞行及维护过程中发挥着重要作用,该技术可用于结构健康状况预判、辅助维修与维护决策。本文首先介绍了当前结构健康监测的概念及其适用范围,讨论了结构健康监测相关规范要求,以F-35和A400M为例分析了国外飞机结构健康监测技术的典型工程案例,并给出了典型飞机单机跟踪和寿命控制、某老龄飞机载荷谱实测及寿命预测,总结了基于裂纹的监测方法研究及限制其应用的主要因素。在此基础上,提出了飞机结构健康监测系统设计的主要思路,给出了寿命预计的基本流程,阐述了其中控制点选择、飞行参数筛选、载荷/应变方程构建、损伤计算及寿命评估、结果输出及方程验证等主要环节。最后,对航空领域未来开展结构健康监测智能化研究进行了展望。

面向飞机智能脉动装配生产线的设备健康管理技术

针对总装脉动生产线对关键设备状态及性能缺乏有效评价方法,无法及时准确预测设备故障,易造成生产进度滞后,影响生产节拍和效率,并对生产线智能排产系统带来巨大挑战的难题,围绕设备故障预测与健康管理技术特点及新成果,在详细阐述其关键技术和新成果基础上,提出了面向智能脉动装配生产线的设备故障预测与健康管理系统的解决思路与基本框架,对后续开发先进设备故障预测与快速诊断系统、提高设备健康状态预测水平和故障快速诊断能力、促进均衡生产、提升智能脉动装配生产线生产效率具有一定的指导意义。

军用飞机供配电系统故障预测与健康管理关键技术

随着飞机多电化和全电化的快速发展,军用飞机供配电系统结构日益复杂、维护难度加大,采用故障预测和健康管理技术对于提高军用飞机供配电系统可靠性、降低维护难度、提高维护效率、实现视情维修具有重要意义。结合军用飞机供配电系统的特点,本文从故障预测与健康管理(PHM)系统构型设计、数据采集需求、机载使用需求三个方面对军用供配电系统故障诊断与健康管理技术进行了需求分析,梳理了当前军用飞机PHM架构发展现状,并针对军用飞机供配电系统特征总结了PHM系统架构特征。针对特征参量提取、信号检测与预处理、故障预测方法、预测效果评估方法等,对PHM重点关键难点技术进行了分析。并就当前军用飞机供配电系统PHM技术发展所遇到的问题,对未来研究方向提出建议。

飞机主电源系统关键器件健康状态评估研究

采用数据驱动的方法实现飞机主电源系统关键器件的健康状态评估。选取飞机主电源系统中故障率较高的旋转整流器整流二极管和调压器功率(Metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)管作为系统关键器件,并分析确定了关键器件的老化特性;利用仿真数据筛选出励磁机的励磁电压平均值和励磁电流平均值作为表征系统关键器件健康状态的电源系统特征变量;采用主成分分析法对系统特征变量数据进行解耦,得到可以分别表征两个关键器件健康状态的特征参数;利用高斯混合模型建立了关键器件的健康基准模型,并计算系统老化模型与健康基准模型的马氏距离;将马氏距离结果经过K-means聚类分析得到包含关键器件健康状态等级信息的训练样本集数据,将样本集数据经过神经网络训练得到系统关键器件的健康状态评估分类函数。采用蒙特卡罗仿真获取大量数据对分类函数进行验证,关键器件不同健康状态等级数据的原始分类和分类函数评估结果的匹配度达到90%以上,说明了该健康评估方法的有效性。

印刷传感器的研究进展及其在飞机结构健康监测中的应用

印刷传感器是利用印刷电子技术将导电墨水直接在基板上沉积图案或电路而形成的传感器,具有低成本、易操作、可大规模生产等优点,在飞机结构健康监测等领域极具应用潜力。本文首先按照导电颗粒的分类标准,分别介绍了金属、碳系、聚合物三类导电墨水。随后详细介绍了制造印刷传感器的三大技术:喷墨打印、丝网印刷及增材制造。同时,本文还回顾了目前印刷传感器在飞机结构健康监测上的三类主要应用,包括应力/应变传感器、损伤传感器以及温度传感器。最后,展望了印刷传感器的发展趋势,为印刷传感器在飞机结构健康监测领域的研究与应用提供有益参考。

基于数学建模的压电传感器动态特性补偿方法

近年来,基于压电传感器和Lamb波的结构健康监测技术因其对小损伤敏感以及监测范围广等优点被广泛地研究并应用于飞行器上。由于材料特性以及其它复杂因素的影响,压电传感器采集的信号与原始信号并不能够完全一致,需要后续补偿处理。针对圆形压电传感器,从其工作机理出发,推导了其动态特性的理论公式,建立起传感器数学模型。利用MATLAB建立数学建模仿真得到传感器模型的动态特性曲线,并与实验获得的标定曲线进行了对比,验证了模型的合理性。为了改善压电传感器的动态特性,采用零极点配置法设计了动态补偿滤波器。结果表明,经过补偿的压电传感器的各方面动态指标较未补偿前有了很大的改善,响应速度得到了很大的提高,工作频带从315.9 kHz拓宽到609.1 kHz,说明经过补偿后的压电传感器可以应用到工程实践当中。

飞行数据趋势监测在飞机“健康状况”评估中的应用

针对飞行数据属于多状态时域数据的特点提出了一种用于参数趋势监测的方法 ,该方法为“飞机健康”状况提供了一种科学的评估依据。首先对飞机在稳定工作状态和飞行特征时段下的飞行数据进行筛选处理、野点剔除和统计分析 ,并在此基础上建立时间序列AR模型进行参数预测 ,进而采用阈值对比法实现了参数的趋势监测 ,最后讨论了趋势监测在“飞机健康”状况评估中的应用方案。

飞行器结构智能化研究及其发展趋势

智能化是飞行器结构发展的重要趋势,文中介绍了飞行器结构的智能化需求及其发展状况。阐述了飞行器的典型结构健康监测方法及其技术特征,讨论了飞行器主动变形结构的实现方法与途径,结合国内外研究情况,指出了飞行器结构智能化的可实现前景。

飞行器健康管理系统验证与评估技术研究

明确了飞行器健康管理系统(aircraft health management system,AHMS)验证与评估技术的研究意义,详细介绍了AHMS验证与评估技术的基本概念及相关定义,重点从验证与评估测试环境、指标体系、数据获取与实现途径等方面分析了AHMS验证与评估技术的国内外研究现状,总结了其研究难点和需要解决的问题。

基于参数线性组合的航空发动机气路健康参数估计

针对发动机上可用传感器个数小于待估计气路健康参数个数时的卡尔曼滤波估计问题,采用一种健康参数线性组合的方法。通过迭代搜索方法优化得到最优变换矩阵,对原健康参数进行线性组合,生成一组维数等于可用传感器个数的调整参数向量,然后采用卡尔曼滤波器对调整参数向量进行估计,最后通过还原变换得到原健康参数的估计值。以涡扇发动机为研究对象的仿真结果表明,在风扇、压气机的效率以及涡轮效率和流量分别或同时蜕化2%到3%时,该方法能够准确估计出所有的健康参数,而估计参数子集法的估计结果有可能出现明显偏差,甚至误判。

飞机结构健康监测传感器新技术

飞机结构健康监测是在传统的结构无损检测基础上发展起来的对结构损伤的一种实时、在线监测方式。采用结构健康监测系统可以提高飞机的可靠性、安全性和延长运行时间,同时降低结构使用和维护费用。概述了飞机结构健康监测技术研究现状,介绍了几种新型的结构健康监测传感器技术的原理及应用,展望了结构健康监测传感器技术的发展前景。

飞机液压系统健康状态综合评估技术研究

针对目前飞机液压系统健康状态难以准确评估问题,构建了一个基于灰色聚类法和熵权法相结合的飞机关键部件—液压系统两级健康状态综合评估模型。该模型首先利用熵权法对飞机液压系统各部件相关参数的权重进行计算并确定,然后利用灰色聚类法对飞机液压系统各部件进行健康状态综合评估,得到各部件的聚类系数。在此基础上,用所得各部件聚类系数构成飞机液压系统健康状态综合评估的评判矩阵,再用熵权法计算并确定飞机液压系统各部件的权重,最后利用灰色聚类法对飞机液压系统的整体健康状态进行综合评估,从而得到飞机液压系统健康状态综合评估结果。通过实例对所构建的评估模型进行试验验证。研究结果表明,所构建的健康状态评估模型能够实现飞机液压系统健康状态综合评估效能,具有良好的工程应用前景。

机载预测与健康管理(PHM)系统的体系结构

故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management PHM)系统对于推动作战飞机从"事后维修"、"定时维修"向"视情维修"转变具有十分重要的意义。针对新一代作战飞机的技术特点以及在维修保障方面的需求,对机载PHM系统体系结构的3种备选方案进行了对比分析,提出了一种由模块/单元层PHM、子系统级PHM、区域级PHM和平台级PHM等4层集成的层次化体系结构,并着重从层次的划分、组成要素的功能描述、信息传输和外部逻辑等几个方面进行了论述。

基于声发射技术飞机关键部件健康监测方法

为解决飞机关键结构部件疲劳损伤的有效监测,及时发现潜在的安全隐患,避免灾难性事故的发生。对于采用先进声发射技术所监测到的某飞机水平尾翼的原始声发射信息,提出采用小波包分析与支持向量机相结合的方法对飞机水平尾翼的健康状况进行识别与诊断。该方法将飞机水平尾翼产生的原始声发射信号进行多级小波包分解,提取其频带能量作为特征向量,输入到由支持向量机构建的健康监测器对其进行健康识别与诊断。实验结果表明,该方法可以有效、准确地识别并诊断出飞机水平尾翼的疲劳裂纹,为飞机结构部件健康状态的有效监测提供了新途径。

民机PHM预测维修模式在空调系统的应用

针对故障预测与健康管理(Prognostic and health management,PHM)技术在民机维修工程中的应用问题,探讨了基于PHM的预测维修模式设计,提出了考虑PHM的初始维修任务分析流程以及基于PHM的预测维修模式实施方法。以B737NG空调系统为例开展验证研究,建立了基于数据驱动的空调系统PHM模型,设计了空调系统PHM维修模式,并基于历史运行数据开展了计划维修模式与预测维修模式下维修成本对比分析。研究结果表明:基于PHM的维修模式不仅可以取消部分定期检查工作,还可以通过提前监测减少非计划的维修事件,进而降低民机系统全寿命周期维修成本。成本效益分析表明:相比传统计划维修,PHM维修可降低40%以上的成本,进一步推广应用到整机其他系统将带来更大的经济效益和安全效益。

面向民用飞机运行的健康管理系统设计

针对飞机使用过程中由于缺乏先进的健康管理手段,在民航运行保障领域时常发生重大事故的问题。首先,对国内外飞机健康管理的现状进行分析,突出了国航在飞机健康管理上的重点和举措,并从5个维度指出国内现有飞机健康管理系统的不足。其次,根据飞机运行特点和安全运行目标提出了飞机运行健康管理系统架构,包括健康的飞机支持系统和与飞机运行相关的民航运行业务管理系统。最后,基于民航业务需求提出面向飞机运行的健康管理系统的具体功能和实现内容,为进一步完善民机运行的健康管理系统提供重要参考。这种融入新的要素建立的飞机健康管理系统,是目前飞机健康管理系统的增强型,且真正朝着更加综合化、标准化和智能化的方向发展。

基于混沌理论的飞机健康预测方法

为解决飞机关键结构部件疲劳损伤的有效预测,避免灾难性事故的发生,提出了一种基于混沌理论与声发射技术对飞机结构部件进行健康预测的新方法。采用先进的声发射技术监测某飞机真实水平尾翼的健康状态,运用小波分析对募集的声发射信号进行预处理,提升强背景噪声下有效数据的信嗓比。使用混沌理论提取水平尾翼声发射信息的关联维数,构建能反映结构健康状态的特征信息,并由神经网络对其健康状态进行预测。实验研究表明,该方法能很好地预测飞机水平尾翼的健康状态,具有较好的实用性,适用于强噪声环境中飞机结构部件的健康预测。

航空发动机健康管理综述

本文在总结国内外有关文献的基础上,简要回顾了航空发动机健康管理的发展历程,表明实施发动机健康管理的价值;详细阐述了发动机健康管理的研究内容,发动机健康管理系统的功能、信息和物理层次结构;指出了开展发动机健康管理研究的关键技术;最后提出了我国实施发动机健康管理的一些建议。

飞机结构健康监控模拟加载试验系统的设计

设计了飞机结构健康监控模拟加载试验系统,包括加载平台系统、大应变测试精度试验验证模块和关键部位模拟试验模块,用于研究传感器敷设方法对测试精度的影响,为光纤传感技术在飞机结构监测中的应用研究提供技术基础和理论依据。