CN110155366B - 智能光纤复合结构的自感知、识别和修复一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能光纤复合结构的自感知、识别和修复一体化方法，据结构材料、受力和损伤特征选定光纤感知元件及其封装和布设形态，并与结构材料组合形成智能光纤复合结构，基于力学建模、数据分析和控制理论发展相匹配的损伤识别算法和自适应修复调控机制，使该智能光纤复合结构具备感知、识别和修复一体化的功能。本发明发展了兼顾结构性能和感知、识别和修复等多功能一体化的智能光纤复合结构，为航天军机结构装备外壳、机翼和发动机引擎等关键结构提供了功能增强的方法和器件，为飞机飞行和战斗过程中的连续实时监测和性能诊断提供有效的技术手段和可靠的数据支持，并服务于结构的安全评定、寿命预测及维护设计等。

Description

智能光纤复合结构的自感知、识别和修复一体化方法

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测领域，涉及到的是一种光纤复合结构的感知、损伤识别和修复性能集成一体化的智能方法。

背景技术

随着全球信息化技术的快速发展，军用航天结构系统正向更加综合化、信息化、模块化及智能化方向发展。信息化背景下的远程对抗时代，占据制空权优势的战略地位非常重要(如近代的海湾战争)。与此同时，也推动高技术密集型的军用航空航天工业领域向更高层次发展。先进的军用飞机是在夺取制空权、防空作战、支援地面部队和舰艇部队作战等方面最关键和最核心的武器装备。军机服役环境恶劣，可能航行在常规武器(如空空导弹、地空导弹、激光武器、生化武器等)引起的高温、高冲击力、高穿透性和高腐蚀环境，或核武器引发的冲击波、核辐射和电磁波等极端环境。在湿度、温度及荷载变化均较大的外界作用下，除了对军机结构生存力进行设计外，还需要考虑飞行和作战状态下服役性能。随着新型军机设计和制备技术的深入发展，依赖军机自身安全的设计理念已经不能满足使用过程中的安全、稳定和可靠性要求。军机构件失效是飞行事故的重要原因之一。因此，需要对军机全寿命周期内各构件性能及整机性能进行综合考虑，以评价军机的适航性。如何准确、快速的预测军用飞机的状态信息，以提高飞机结构性能、飞行安全性和任务执行程度是目前亟需解决的难题和研究重点。军机结构性能监控是预防性维护决策的重要基础，较短维护周期可以提高军机适应现代战争高速高强度的作战需求。

因此，可以考虑研发面向航天军机的结构健康监测系统，利用集成在军机结构上的先进传感器，利用信息融合技术、大数据处理、力学建模、网络通信及图像可视化技术组建覆盖全历程的感知、识别、驱动和控制的系统，实时在线地重构结构飞行姿态、识别结构局部损伤和异常故障诊断，为军机驾驶员提供全面和准确的结构状态信息，便于其作出最佳的反应决策，同时也为军机的维修策略优化和结构升级改造设计提供有效科学的数据积累。

受限于航天工业领域复杂电磁对抗和多场(如热和力)耦合环境，当前的研究主要集中在先进传感器选型和应用设计(如陀螺仪、加速度计、气压计、空速管、压电和光纤传感器等)、损伤识别和状态评定算法、海量信号数据滤波降噪处理技术及其他辅助系统研发等方面。迄今为止，公开文献中关于系统的结构健康监测技术在军机结构的全面应用研究较少，均处于前期研发和试验阶段。在结构健康监测系统中最核心的基础是传感器，其直接提取结构的多物理参量信息，是控制系统做出响应的依据。传感器类似于军机结构的感觉器官，而当前，适用于航天军机结构监测的高精尖传感器尤其匮乏。

20世纪70年代，随着光导纤维及光纤通信技术的发展，繁衍了一种以光信号为载体、光纤为媒质感知和传输外界扰动(被测量)的、具备传感和传输双重功能的新型光纤传感技术。相比电磁类传感器，光纤传感器具有绝对测量、灵敏度高、体积小、质量轻、几何形状多方适应性、防爆、电绝缘、抗强电磁干扰、耐化学腐蚀、传输带宽较宽、低损耗、长期稳定、易波分复用和组网等优越性。鉴于光纤传感元件的先进性，美国军方在1985年首先提出光纤智能蒙皮这项创新技术构想，其核心是在飞行器结构或外壳内埋置光纤传感网络，对飞行过程中的应力和温度等诸多参量进行监测，从而动态调整飞机状态获得最佳飞行性能。随后，美国空军、宇航中心、波音公司及美国各高等院校和相关研究机构均投入大量人力和物力进行可行性研究。与此同时，英国、法国和加拿大等也开展了该项目的研究，其研究对象也从航空航天飞行器扩展到土木工程、船舶、汽车、医学等众多领域，并很快成为研究热点。当前，光纤智能结构的研究已取得了一些重要成果，如智能蒙皮、自适应机翼、光纤智能夹层、空心光纤智能结构等。这些技术虽然在一定程度上实现了结构局部损伤的测试，由于其本质为在结构表面附加传感器测试系统，在结构出现损伤或演化过程中不能随着损伤变化而自适应调整状态，无法精细地监测结构较大尺度和全历程的形态或损伤及微小损伤的自修复。

随着先进功能材料和复合材料制作工艺技术的快速发展，质量轻、强度高、刚度大、耐腐蚀和抗疲劳性较强的先进复合材料(如碳纤维增强树脂)被全面应用于飞机结构，使得飞机可以获得更好的机械性能、更轻的自重、更大的航程、更大的载重。例如，歼-20军机中复合材料比例已经达到20％，在后续先进军机的研发过程中，复合材料的的应用范围和比例会更高。在民航飞机中，波音787客机中碳纤维复合材料的使用比较已经达到50％，超过合金材料。全面推进复合材料在军机结构的应用已经成为一个国家军机结构先进性的重要标志。

鉴于此，本文提出了一种智能光纤复合结构及其自感知、识别和修复一体化的方法，其核心是将光纤传感技术与复合材料进行组合设计构建面向军机结构的智能光纤复合结构，利用基于结构动力特性建立的结构损伤识别算法和敏感参数驱动的修复控制技术，将航天军机的各构件(如机体、机翼、发动机引擎、活动舵和升降舵安定面等)智能化，使其具备自感知、自识别和自修复的一体化集成功能。该方法可以建立基于军机使用性能的动态智能光纤复合结构系统，实时跟踪监测航天军机的飞行作战状态、疲劳和损伤状况等，对局部和微小损伤进行自适应调控。同时，基于安全性能评定方法识别结构(损伤)变化轨迹和局部微损伤的自修复，从而在维持军机结构的飞行作战安全和舒适需求的同时，也实现航天军机作战和防御性能的提升。

发明内容

本发明目的是提供一种兼顾结构性能和感知性能的损伤识别和修复集成一体化的智能光纤复合结构及监测和调控方法，解决航天军机结构飞行作战安全状态不易被监测、局部随机损伤无法先知、微观损伤不被识别和不易修复、监测手段实时在线性差等应用问题。

本发明的技术方案是：一种兼顾光纤复合结构感知、识别和修复一体化的智能监测和调控方法，其实现步骤：将光纤感知元件(光纤光栅、布里渊光纤或拉曼光纤等)以特定的封装和形态与复合材料组合形成光纤复合结构，并同时基于力学建模、数据分析及控制理论发展相应的损伤识别和状态评定方法及自适应修复措施，使该光纤复合结构具备自感知、识别和修复一体化的功能，从而实现智能化，即智能光纤复合结构；根据目标监测量和可能的异常情况(如单个或部分传感器失效)设计多传感器的组合处理方法，以此提高测量精度和整套监测系统的可靠性；发展相应的关键结构损伤识别算法和修复控制技术，构建适应飞行和作战状态的智能光纤复合结构系统；基于结构动力分析和海量监测数据对结构进行模型确认、损伤诊断及自适应修复调控；根据相关准则(如信号处理、模式识别、估计理论等)对结构的温度、应力、变形及飞行姿态等多种目标进行别跟踪识，全面正确的解释或描述被测对象状态。

该智能监测和损伤修复控制方法如同军机结构的感官系统，在对军机结构性能进行连续跟踪监测的同时，也能对局部微损伤进行识别和自修复控制。

所述的自感知由光纤传感器实现。其中，光纤感知元件封装方式和布设形态由智能光纤复合结构的使用功能需求确定，即在设计结构(如航天军机的不同构件-机体、机翼或发动机引擎等)时，需要考虑其材料和几何特征、受力状况、可能的损伤类型或失效模式，从而确定光纤感知元件的选型、封装材料和封装方式及布设形态。

所述的结构和损伤状态识别由光纤传感器和相应的模型确认算法实现。

所述的局部微小损伤的自适应修复由敏感环氧胶封装、模型确认算法和控制理论联动实现。即在光纤感知元件周围封装同样尺寸和形状的敏感环氧胶，微小裂纹出现时(如图4)，该液态胶会溢出填补损伤并因遇空气固化形成高强高粘结环氧胶块，实现结构微损伤的自适应修复。

本发明的效果和益处是：集自感知、识别和修复一体化的智能光纤复合结构将为航天军机装备外壳、航空发动机引擎和机翼等关键结构提供一种功能增强的新方法和相应的器件；由智能光纤复合结构建成的智能化航天军机可以实现飞机起飞前的各机身构件的性能评估，飞行过程中实时连续监测机身和机翼的空气动力、应力、变形、温度和飞行姿态等参数，战斗过程中实时跟踪飞行负载状况及战斗损伤的形成及发展，从而便于飞行员获取军机结构更准确实时的威胁评估和决策支持、确保其安全可靠飞行，同时也为结构维护和修复决策提供有效数据和科学方法；基于有效响应信息建立的航天军机识别和修正模型，将为航天军机结构应力和损伤特征指标的构建提供科学理论，同时也为航天军机性能的改进和功能的增强提供有效的设计方法和工程技术。

附图说明

附图1是用于军机结构感知、识别和修复一体化的智能光纤复合结构。

附图2是用于军机结构监测和修复控制的智能光纤复合结构系统。

附图3是智能光纤复合结构(以机翼和机体为例)的感知识别方法示意。

附图4是智能光纤复合结构(以裂纹为例)的损伤修复控制方法示意图。

图中：1-4分别是军机不同位置的光纤复合机体结构；5光纤复合引擎机舱结构；6光纤复合机翼结构；7光纤复合活动舵结构；8光纤复合升降舵安定面结构；9系列智能光纤复合结构；10光开关或耦合器；11信号解调系统；12-14为光栅、分布式和动态光纤解调仪；15模型确认、损伤识别和状态评定模块；16修复调控模块；17单点光栅；18光栅串；19分布式光纤；20微裂纹；21遇空气固化的液态高强高粘结环氧胶。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

一种兼顾结构性能和感知性能、识别局部损伤和微小损伤修复调控的智能光纤复合结构多功能一体化方法，其传感探头的结构示意图如附图1和附图3所示；其使用方法的示意图如附图2和附图4所示。

兼顾结构和感知、损伤识别和修复等功能一体化方法，其实施方式如下：

首先，根据结构的材料组分、几何特征、受力方式、约束和损伤类型，确定光纤传感器件的封装和布设形态，根据目标监测量和可能的异常情况(如单个或部分传感器失效)设计多传感器的集成组网方法，构建系列智能光纤复合结构；然后，根据动力学理论、数据分析算法和控制理论构建结构的损伤识别和微小损伤修复调控机制，并将其模块化与智能光纤复合结构对接，建立损伤预警、修复调控和状态评定等的驱动装置；最后，根据相关准则(如模式识别和估计理论)对表征军机结构服役状态和损伤演化规律的数据进行危险源输出和预警，实现飞行和作战状态结构性能的跟踪监测及安全系数的提升。

Claims (1)

1.一种智能光纤复合结构的自感知、识别和修复一体化方法，其特征是：根据被测结构的材料和几何特征、受力方式、损伤类型及失效模式，设计光纤感知元件的型号、封装材料和封装方式及布设形态，并与基体材料复合构建具备结构和感知性能的系列智能光纤复合结构(9)；考虑局部微损伤的自适应修复，在光纤传感元件周围封装相同尺寸和形状的敏感环氧胶，在复合结构出现微裂纹时，液态胶会溢出填补损伤并遇空气固化形成高强高粘结环氧胶(21)修复结构损伤；同时，根据动力学理论、数据分析算法和控制理论构建结构损伤识别和微小损伤修复调控机制，并将所述损伤识别和所述微小损伤修复调控机制模块化并与智能光纤复合结构对接，建立损伤预警、修复调控和状态评定的驱动装置；根据模式识别和估计理论对表征军机结构服役状态和损伤演化规律的数据进行危险源输出和预警；赋予该智能光纤复合结构自感知、识别和修复一体化的联动功能；在飞机结构飞行和作战状态时，该智能光纤复合结构自带的光纤传感网络可以对温度、应力和变形等物理参数进行监测及飞行姿态进行重构，跟踪飞行负载状况及战斗损伤的形成及发展，从而便于飞行员获取军机结构更准确实时的威胁评估和决策支持、确保其安全可靠飞行，同时也为航天军机结构维护和修复决策提供有效数据和科学方法及结构性能的改进和功能的增强提供有效的设计方法和工程技术；

所述方法还包括：根据目标监测质量和异常情况设计多个传感器的组合处理方法；

根据关键结构损伤识别算法和修复控制技术，构建适应飞行和作战状态的智能光纤结构系统；

基于结构动力分析和监测数据对结构进行模型确认、损伤诊断及自适应修复调控；

根据相关准则对结构的温度、应力、变形及飞行姿态等多种目标进行跟踪识别；

所述局部微小损伤的自适应修复由敏感环氧胶封装、模型确认算法和控制理论联动实现。

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