■ 袁慎芳 Yuan Shenfang

長江學(xué)者特聘教授

Chang Jiang Scholar

南京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師

Professor and Doctoral Supervisor of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

:您在智能材料結(jié)構(gòu)和航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面從事了20多年的研究，請簡要談?wù)勀壳澳谠擃I(lǐng)域的研究情況。

袁慎芳：南航團(tuán)隊自20世紀(jì)90年代初就在陶寶祺院士帶領(lǐng)下在國內(nèi)率先開展了智能材料結(jié)構(gòu)研究，本人研究主要集中在航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)測方面，開展了3方面的研究。

首先是復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)損傷的波動成像方法。真實航空結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、載荷復(fù)雜、早期損傷診斷難，缺乏工程應(yīng)用系統(tǒng)。針對上述問題，我們發(fā)現(xiàn)了基于聲學(xué)互易原理的結(jié)構(gòu)彈性波頻散補償效應(yīng)，建立了彈性波時間反轉(zhuǎn)合成機制，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷信號的聚焦增強，同時提出了多種結(jié)構(gòu)損傷的概率成像方法，實現(xiàn)了飛機碳纖維復(fù)合材料機翼盒段上直徑1.5cm的分層損傷的高分辨率成像; 針對型號應(yīng)用，團(tuán)隊研發(fā)了便于實際結(jié)構(gòu)布置的大尺寸柔性壓電傳感器陣列網(wǎng)絡(luò)及世界上首套集成壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測掃查系統(tǒng)，并形成系列；針對機載在線應(yīng)用，創(chuàng)造性地提出了基于離散數(shù)字序列辨識的沖擊區(qū)域和能量辨識方法，成功研制了微小型復(fù)合材料沖擊區(qū)域監(jiān)測儀，重量僅52g。目前成果已在先進(jìn)戰(zhàn)機、大型民機及直升機等國家重點型號的研制、在役飛機延壽中逐步應(yīng)用。

針對全機的綜合監(jiān)測，我們提出了一種分布式協(xié)作型健康監(jiān)測新方法。全機綜合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及多部位、多損傷和事件的監(jiān)測，一方面這些損傷和事件相互關(guān)聯(lián)，診斷難度大；另一方面全機監(jiān)測使得監(jiān)測系統(tǒng)的重量、資源消耗也顯著增加，而飛機機上資源嚴(yán)格受限制，特別是軍機，如何實現(xiàn)輕量化、大尺度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測面臨挑戰(zhàn)。我們提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式、輕量化結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法；發(fā)明了多種動、靜態(tài)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、多信道接收中心節(jié)點及中轉(zhuǎn)節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的仿生自修復(fù)方法；提出分布式多主體協(xié)作的協(xié)同監(jiān)測與管理機制，將來可以幫助解決大尺度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所帶來的資源嚴(yán)格受限、診斷復(fù)雜等難點。

針對航空結(jié)構(gòu)的健康管理和預(yù)測，我們最近正在研究一種基于粒子濾波的疲勞裂紋擴展及壽命預(yù)測方法，以解決常規(guī)物理模型方法預(yù)測誤差大的問題。我們擬將結(jié)構(gòu)損傷擴展與壽命預(yù)測在線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法相結(jié)合，同時結(jié)合概率粒子濾波技術(shù)修正物理模型預(yù)測結(jié)果的誤差。目前該研究已在試驗驗證中取得了較好結(jié)果，并在不斷深入之中。

袁慎芳：目前國家正在大力發(fā)展大型飛機、先進(jìn)戰(zhàn)機、武裝直升機等各類先進(jìn)飛行器，同時在役飛機的維護(hù)也對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法提出了迫切需求。

相比其他方法，壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法在易發(fā)生損傷的熱點區(qū)域監(jiān)測上具有明顯優(yōu)勢。壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法對損傷靈敏度較高，不僅可以用于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞、腐蝕損傷、連接失效監(jiān)測，也可以用于復(fù)合材料的分層、脫粘監(jiān)測。該方法應(yīng)用比較靈活，既可以實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生時的聲發(fā)射信號及復(fù)合材料所承受的沖擊，也可以通過在結(jié)構(gòu)中主動激發(fā)彈性波來掃查結(jié)構(gòu)的損傷。該方法還能通過分析在結(jié)構(gòu)中彈性波的傳播特性來實現(xiàn)一定區(qū)域的監(jiān)測，同時不依賴結(jié)構(gòu)載荷，既可在飛行過程中進(jìn)行在線監(jiān)測，又可以在地面實現(xiàn)對飛機結(jié)構(gòu)狀態(tài)的掃查。

:針對新機研制和在役飛機，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程應(yīng)用還應(yīng)該深入開展哪些關(guān)鍵技術(shù)研究？

目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已逐漸從應(yīng)用基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化到工程驗證和應(yīng)用階段，但還有很多工作需要深化：首先是診斷評估算法，在真實服役環(huán)境下如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的可靠評估對于該技術(shù)的全面工程應(yīng)用至關(guān)重要；其次，目前所研發(fā)的各類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測裝備還需要面向型號應(yīng)用提升其成熟度；最后，是該技術(shù)在真實飛機結(jié)構(gòu)及服役環(huán)境下的系統(tǒng)、全面的驗證。目前國內(nèi)航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)面向工程應(yīng)用的驗證力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，作為一項新技術(shù)，其在航空領(lǐng)域的全面應(yīng)用必須進(jìn)行大量的實際和系統(tǒng)的驗證，才能積累足夠的經(jīng)驗并結(jié)合這些驗證完善該技術(shù)。