刘轩冶
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：复合材料结构成型技术水平的限制以及结构设计、工艺、检验、运输和维修方面的需要，复合材料结构必须安排一定数量的工艺分离面，以便于将2个或2个以上结构件连接为一体。连接结构是大型复合材料结构的关键环节，对保证复合材料结构的完整性具有重要的作用。连接结构是大型复合材料结构的关键环节，对保证复合材料结构的完整性具有重要作用。由于复合材料连接结构存在复杂的非线性耦合因素，使得复合材料连接结构的强度和破坏模式分析十分困难，因此，必须对复合材料连接结构的健康状态进行监测。本文介绍了应用于航空航天复合材料结构的健康监测技术，包括结构状态监测和损伤诊断方法，重点综述了各项技术的研究现状、关键问题及主要挑战，讨论了航空航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势。
关键词：航空；复合材料；结构健康监测
复合材料结构的连接形式主要有：胶接连接、机械连接和混合连接。胶接连接是借助胶黏剂将需要连接的复合材料结构件连接成不可拆卸的整体，是一种实用有效、方便快捷的连接工艺技术。复合材料胶接结构作为一种多层结构，一般存在强度不足的问题，因此胶接结构的应力和强度分析方法是当前一个研究热点。机械连接有螺栓连接、销钉连接和铆钉连接等方式，其中螺栓连接具有可靠性高、承载能力强、便于重复拆装及使用维护简便等优点，是航空航天领域中复合材料结构的主要机械连接方式。
一、复合材料结构健康监测技术
健康监测技术在航空航天复合材料结构中的实施流程如下：在结构运行过程中，首先，通过状态感知技术获取结构的应变场、温度场等状态特征，建立结构的状态模型；其次，利用损伤诊断技术识别结构可能存在的损伤特征，包括损伤 / 撞击位置、大小和扩展趋势等；再次，在结构运行结束之后，根据状态模型变化历程和损伤特征实施对结构的无损检测与基于状态维修，并为结构优化设计积累数据。健康监测技术结合无损检测技术将大大增强航空航天结构的在役安全性、可靠性、耐久性，显著提高结构的使用效益。
1、全局状态感知技术。结构运行状态包括结构的形状、运行姿态、温度场、应变场、应力场等。在无损检测技术中，常用点式应变片和温度传感器在停机状态下检测结构的应变场和温度场。这种技术形式的成熟度较高，作为重要的应变场、温度场重构手段广泛应用于静力加载、疲劳等试验中。但是这种技术传感器及其线缆用量较大，检测速度较慢，无法适应实时数据采集的要求。为了监测结构在运行状态的实时变化趋势，研究人员基于光纤传感器开发了航空航天结构在线状态感知技术。光纤传感的原理是通过分析经光纤传感器调制后的光信号特征如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等的变化来获取被测参数应变、温度、pH 值等。光纤传感器具有灵敏，质量轻、尺寸小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点。光纤传感器在航空航天结构健康监测，根据有效测量段的分布情况，光纤传感器分为准分布式和分布式两种。由于加工条件的限制，目前应用在航空航天结构健康监测领域的光纤传感器多为准分布式光纤传感器。准分布式光纤光栅传感器具有测量精度高、事件位置精确定位等优点，因此，在航空航天复合材料结构状态感知研究中受到广泛关注。基于光纤传感器的结构全局状态感知技术适用于大面积结构的表面应变场重构。其中光栅光纤传感器在航空航天结构状态监测领域已有较高的技术成熟度和广泛的应用，分布式光纤传感器与光栅光纤传感器相比具有测点多、分辨率高等优势，因此更适用于应变场重构等技术领域。
2、局部损伤诊断技术。大型复合材料结构的一些关键环节往往承受循环载荷，结构本身还具有复杂的非线性耦合因素，使得这些局部结构的强度和破坏模式分析十分困难，因此，必须针对这些结构开发局部损伤诊断技术，以监测连接松动、微裂纹萌生等损伤变化趋势。适用于航空航天复合材料结构的局部损伤诊断技术包括：基于压电传感器机电阻抗的裂纹损伤诊断方法、真空比较监测方法、智能涂层感知方法等。
这些方法具有很强的实用性，可以为复合材料结构在役损伤诊断工作提供更充足的信息。下文分别对这些方法的原理、适用范围与局限展开讨论。
（1）机电阻抗法。局部微小裂纹的产生和发展会影响当地的机电阻抗，因此通过监测局部阻抗的变化可以表征结构微小裂纹的萌生状态。各国的科研人员对这些问题进行了许多研究。提出交叉耦合电导纳概念，并利用统计方法分析耦合电导纳的变化，识别了飞机机身的损伤，利用压电阻抗法成功地检测喷气机涡轮引擎的故障；Giurgiutiu用压电阻抗法对一老化的航空结构进行了健康状态评估；分别研究了复合材料修复层和复合粘结智能结构的损伤识别情况。
（2）真空比较监测法。由于环境和载荷的共同作用，航空航天复合材料结构中会不可避免地出现微裂纹损伤，利用一般监测方法很难在微裂纹产生初期对其进行监测。真空比较监测方法（CVM）利用粘贴在结构表面的传感器薄膜测试结构表面真空度的变化，以表征结构表面微裂纹密度。针对该技术的实用性，美国民航局、波音、空客及美澳军方等组成的研究小组进行了测试，试验证明其耐久性达到使用标准，空客、波音等航空业巨头都表现出对该技术的兴趣。
（3）智能涂层法。交通大学利用纳米技术对飞机上广泛使用的高性能防腐涂层进行物理改性，用特殊工艺制成具有“随附损伤特性”的“智能涂层”传感器，研发了以涂层为敏感末梢、电阻为损伤监测参量、用计算机进行巡检的“信息智能涂层监测系统（ICMS）”。目前该技术已在中航工业相关研究所和空军装备研究院等单位进行了试验和考核，结果表明该技术具有较高的可靠性。这局部损伤诊断技术的共同特点是对微小裂纹非常敏感，因此可以检测复合材料局部微裂、脱层纹萌生。其局限性在于传感器的监测范围较小，因此不适于对大面积结构实行全局监测。
二、航空航天复合材料结构健康监测技术展望
经过多年的发展，结构健康监测技术在航空航天复合材料领域内的应用越来越广泛。许多健康监测方法已经通过了航空航天结构地面验证阶段。然而，航空航天结构往往需要承受巨大载荷，工作环境也比一般结构更加严酷，因此结构健康监测技术在航空航天复合材料领域走向全面应用还需要在以下方面进一步改进。
（1）发展多物理场综合监测技术，实现结构健康状况多维表征；
（2）研制微型传感器，通过复合材料结构内部集成传感器元件，实现航空航天结构智能化；
（3）发展传感器自诊断技术，借助传感器网络的自感知能力，提高航空航天结构中健康监测传感器的耐久性；
（4）研究结构健康监测环境补偿技术，以应对航空航天结构不断变化的应用环境；
（5）发展航空航天复合材料结构剩余寿命预测技术。通过对这些问题的改进和研究，将实现航空航天结构健康状况全面感知，监测技术全寿命应用，感知元件 - 结构一体化等研究目标，进一步推进结构健康监测技术在航空航天领域的应用并最终达到航空航天结构智能化。
总之，在航空航天复合材料结构的设计、制造、运行、维修中应用结构健康监测技术，有助提高结构的安全性与可维修性。针对航空航天复合材料结构的运行环境和结构特点发展结构健康监测技术对于研发先进航空航天结构具有重要意义。解决了环境补偿、传感器寿命等关键问题之后该技术将会广泛应用于航空航天复合材料结构健康监测领域。
参考文献：
[1] 王奕首,卿新林.复合材料连接结构健康监测技术研究进展 [J]. 复合材料学报 , 2016，33(1): 1-16.
[2] 余振华 .面向航空结构的健康监测技术研究 [M]. 南京 : 南京航空航天大学 , 2017.