当今,我们大量的工程基础设施正在老化,包括飞机、地面车辆、船舶或建筑物。损坏是施加在这些工程结构上的载荷的结果,从设计角度来看,必须承受这种载荷。维护是由此产生的行动,结构老化越久,需要的维护和检查就越多。检查主要由人来完成,成本可能越高,需要的检查工作就越多。因此,检查过程的自动化成为一个值得考虑的问题,而结构健康监测和管理通常以 SHM 的缩写形式出现。SHM 是将传感和驱动集成到材料和结构中,这样无损检测 (NDT) 就成为其中不可或缺的一部分,检查主要是自动化的。这项活动与损伤容限设计原则密切相关,而损伤容限设计原则是航空轻量化设计的主要基础。然而,损伤容限设计也会对使用寿命延长产生重大影响,这是另一个维度,如果轻量化设计可能不是唯一的设计参数。本章将讨论加强检查和 SHM 的不同原因,以及一般进行结构设计所需的步骤。这些步骤确实包括载荷及其对疲劳和断裂的影响。这将
限制、复杂的几何形状以及隐藏损坏的位置和深度。可靠的结构健康监测 (SHM) 系统可以自动处理数据、评估结构状况并发出需要人工干预的信号。如果使用机载健康监测系统持续评估结构完整性,则可以更好地防止意外缺陷增长和结构故障。此类系统可以在发生灾难性故障之前检测到早期损坏。机载分布式传感器系统的其他优势是它们可以消除昂贵且可能造成损坏的拆卸,通过实现传感器的最佳放置来提高灵敏度,并通过消除更耗时的手动检查来降低维护成本。本文介绍了成功的 SHM 技术验证工作的结果
贝叶斯状态空间模型用于执行操作模态分析的联合输入状态参数推断,其中使用参数的先验和强制函数(以高斯过程的形式转换为状态空间表示)为参数不确定性下的这种仅输出识别提供了一种方法。有趣的是,与参数已知的情况相比,该方法被证明可以恢复模型的参数分布,而不会影响加载时间序列信号的恢复。
航空业使用的许多结构部件都是耐损伤的。耐损伤结构需要在明确规定的时间间隔内进行定期检查。由于许多结构部件很大,难以接近,也难以从检查的角度进行评估,因此最大允许裂纹尺寸通常非常大。任何耐损伤结构的操作员都不会对低于允许临界损伤的损伤感兴趣,因为这需要他停止运行系统(即飞机)进行检查和维护,而不会产生任何收入,而是产生成本。在航空相关的结构完整性领域,疲劳、环境和意外损坏起着重要作用,SHM 有很大的相互作用空间。这可以从图 1 所示的结构中看出,国际飞机维护指导小组 (MSG) 在该结构下工作。
在运行过程中,现代航空发动机部件,尤其是高压涡轮 (HPT) 叶片,要经受越来越苛刻的运行条件。此类条件会导致这些部件经历不同类型的时间相关退化,其中之一就是蠕变。开发了一种使用有限元法 (FEM) 的模型,以便能够预测 HPT 叶片的蠕变行为。一家商业航空公司提供的特定飞机的飞行数据记录 (FDR) 用于获取三个不同飞行周期的热数据和机械数据。为了创建 FEM 分析所需的 3D 模型,扫描了 HPT 叶片废料,并获取了其化学成分和材料特性。将收集的数据输入 FEM 模型,并运行不同的模拟,首先使用简化的 3D 矩形块形状,以便更好地建立模型,然后使用从叶片废料中获得的真实 3D 网格。观察到了位移方面的总体预期行为,特别是在叶片的后缘。因此,给定一组 FDR 数据,这种模型可用于预测涡轮叶片寿命。© 2016 作者。由 Elsevier B.V. 出版。同行评审由 PCF 2016 科学委员会负责。
• SHM 系统的“输入”来自提供操作和/或损坏监控的机载传感器。“输出”是从这些数据中处理的信息,可提供飞机结构的健康评估,从而带来突出的好处。
本文提供了有关起落架结构健康监测 (SHM) 系统开发的信息,该系统通过直接负载测量以及支柱维修检测算法提供预测/诊断 HUMS 功能。该系统通过将新传感器集成到起落架组件中来提供先进的监测技术。直接负载测量方法是当前跟踪机身起落架系统和机身支撑结构疲劳损伤方法的范式转变,这些方法依赖于 SHM 设备以各种采样率在机上记录的飞机参数数据收集。起落架 SHM 提供直接负载测量、重量/平衡计算以及对起落架组件执行基于条件的维护 (CBM) 的能力。NAVAIR 与 ES3 签订合同,通过小型企业创新研究 (SBIR) 计划(通过 N121-043 主题的第二阶段奖励)支持起落架 SHM 的开发。提议的解决方案将直接转移到其他海军、军用和商用飞机平台。本文将讨论 HUMS 和 CBM 领域的以下主题:(1) 用于直接负载测量的先进起落架传感器;(2) 将直接负载监测数据融合到疲劳寿命评估中;(3) 利用支柱维修检测算法实现飞机维护的范式转变;(4) 系统验证和确认;(5) 安全和维护效益。频谱开发和使用监测领域的先前工作通常侧重于飞机结构,将假设转化为起落架组件,而无需任何直接测量。使用监测的好处也可以用于起落架。直接载荷测量能够延长使用寿命、根据实际载荷移除部件、提高安全性、增加飞机可用性,并将 CBM 数据纳入维护实践,从而节省维护成本。本文通过对在高技术就绪水平 (TRL) 下适用于严酷起落架环境的传感器进行小型化,推动了最新技术的发展。
• SHM 系统的“输入”来自机载传感器,用于监测运行和/或损坏情况。“输出”是经过处理的数据信息,用于评估飞机结构的健康程度,从而带来突出的优势。
飞机平台可用性是军事能力的关键组成部分,也是衡量部队战备状态和效力的重要指标。基于条件的维护规划和管理有助于降低维护成本并提高平台可用性。其基础是状态和健康监测概念,例如结构健康管理 (SHM) 和综合车辆健康管理 (IVHM)。两者都是某种系统的系统,其中 SHM 可以在一个总体 IVHM 系统中实现,该系统集成了对飞机平台所有相关功能的监控。所有监控和管理概念都强烈依赖传感器数据进行故障检测、状态诊断和预测。对于传感器系统本身,可靠性是数据和数据流质量的关键。
在此基础上,需要根据特定资产特征有意义地收集基于传感器、图像和远程传感器的数据并将其嵌入 DT 平台中。因此,可以建立全自动 SHM 系统,然后在建筑项目中实施。需要指出的是,不同的数据收集方式为任何 SHM 系统提供了通用性、适用性和稳健性。为了实现这一目标,我们开发了此交付成果,概述了最先进的 SHM 技术。该文件的重点是数据结构、数据格式及其与数值方法的对应匹配方面需要考虑的具体要求,以便进行进一步分析。这些要求的描述以及对最先进 SHM 系统的概述是本交付成果的内容。