一種結構剩余壽命自動化快速評估方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及檢測與維護領域，尤其是一種結構剩余壽命自動化快速評估方法和系統。
【背景技術】
[0002]目前，國內外航空公司飛機的維護方式仍依賴于定期的無損檢測，如超聲掃描、渦流檢測、磁粉檢測等。然而，隨著先進復合材料在民用飛機主承力結構上的大面積使用，而大面積復合材料結構由于沖擊、疲勞等原因容易出現脫層、脫粘、纖維斷裂等損傷，傳統的針對金屬結構的檢測與維護手段正面臨嚴峻的挑戰。如何對大面積復合材料中的損傷進行快速精確的檢測，改進傳統的針對金屬結構的維護維修流程，促進先進復合材料在飛機結構上的大量使用，是飛機檢測與維護領域研究人員面臨的一大難題。
[0003]正因如此，近年來基于機械手臂的自動化檢測與維護技術得到了迅速發展，比較有代表性的技術有:1)超聲C掃自動噴水系統，GE、ScanMaster、Tecnatom等公司都研制了超聲C掃自動噴水系統，其控制機械手臂向檢測點連續噴水，在噴嘴的后面裝有超聲激勵和接收探頭，對復合材料結構可進行自動化檢測；2)激光超聲無損檢測技術，已被空客用于A380、A350復合材料結構檢測的美國iPhoton公司iPLUS激光超聲檢測系統，可以控制機械手臂向待檢結構點發出激光并接收激光回波，對大型復合材料復雜結構進行自動化檢測，具有較高的檢測效率。
[0004]另一方面，結構健康監測技術利用與結構集成的分布式傳感器網絡，采集由于損傷/狀態變化而改變的信號，并從中提取損傷特征參數，實時/近乎實時地快速評估結構性能。其中，可用于大范圍復合材料結構損傷識別/撞擊事件識別的壓電傳感器技術、光纖傳感器技術近年來經過廣泛的研究，正在嘗試向工業界推廣應用。
[0005]基于機械手臂的自動化無損檢測技術在檢測過程中需要對結構平面進行高密度掃描，而由于復合材料主承力結構面積大，而且通常只在一個或幾個點出現損傷，機械手臂對整個結構的掃描顯得沒有必要，且效率低下。
[0006]而結構健康監測技術由于其利用相對較少的傳感器數量獲知結構上的損傷/撞擊，對大范圍復合材料結構的檢測顯示出其高效率的特點；而從定量化的角度看，結構健康監測技術的傳感器數量又限制了其發展，導致其無法采集足夠的信息對結構的損傷大小、形狀以及撞擊的能量進行精確地量化。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是:提出一種結構剩余壽命自動化快速評估方法和系統，將結構健康監測技術與自動化無損檢測技術結合起來，取其各自優點，組成一個檢測與評估系統，對航空大面積復合材料結構中的損傷進行快速定量地檢測并對結構的剩余強度/壽命進行自動化的評估。
[0008]本發明所采用的技術方案為:一種結構剩余壽命自動化快速評估方法，包括以下步驟:
[0009]1)在復合材料結構的外表面上粘貼傳感器構建傳感器網絡，利用傳感器網絡以及結構健康監測技術初步檢測損傷/撞擊；
[0010]2)設定閾值并判斷初檢損傷面積/撞擊能量是否大于閾值；若大于閾值，則進入后續檢測流程，反之，則檢測流程結束；
[0011]3)根據初檢損傷/撞擊位置與誤差，確定自動化無損檢測技術的詳細檢測區域與檢測方案；
[0012]4)驅動自動化無損檢測的機械手臂，進行詳細檢測；
[0013]5)基于詳細檢測結果，預測結構剩余強度/壽命。
[0014]同時，本發明還提出一種結構剩余壽命自動化快速評估系統，包含4個子系統:綜合控制子系統、結構健康監測子系統、自動化無損檢測子系統、剩余壽命/強度預測子系統，其中綜合控制子系統首先指令結構健康監測子系統初步監測結構中可能出現的撞擊/損傷，綜合控制子系統根據得出的撞擊能量/損傷大小判斷是否需要詳細的掃描，如撞擊能量/損傷面積大小大于設定的閾值時，綜合控制子系統向自動化無損檢測子系統發出指令對結構健康監測子系統監測到的損傷/撞擊位置利用機械手臂進行詳細掃描，并將詳細掃描結果數據化發送到剩余壽命/強度預測子系統，并輸入有限元模型計算結構的剩余強度/壽命。
[0015]本發明旨在綜合結構健康監測技術的高效率與自動化無損檢測技術的精確定量化特點，發明一種自動化的航空結構剩余強度/壽命快速評估方法和系統，提高航空結構的檢測與維護效率，縮短停機時間，降低運營成本。在本發明中，結構健康監測技術所采用的典型技術包含但不限于基于壓電傳感器的損傷監測技術、基于壓電傳感器/光纖傳感器的撞擊監測技術等，自動化無損檢測技術所采用的典型技術包含但不限于基于機械手臂的自動噴水超聲c掃技術、基于機械手臂的激光超聲檢測技術等。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017](1)綜合了結構健康監測技術在檢測方面的高效率和自動化無損檢測技術的高精度特點；
[0018](2)所發明系統在各子系統的數據接口與通信方面的模塊保障了系統可以自動化運行。
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0020]圖1是本發明的自動化流程圖；
[0021]圖2是本發明的系統組成框圖；
[0022]圖3是本發明綜合控制子系統的結構框圖；
[0023]圖4是本發明結構健康監測子系統的結構框圖；
[0024]圖5是本發明自動化無損檢測子系統的結構框圖；
[0025]圖6是本發明剩余壽命/強度預測子系統的結構框圖；
[0026]圖7是本發明簡化的系統組成框圖。
【具體實施方式】
[0027]現在結合附圖和優選實施例對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。
[0028]如圖1所示，本發明的檢測方法與流程如下:
[0029]1)利用結構健康監測技術初步檢測損傷/撞擊
[0030]詳細步驟如下:
[0031]a)在結構上配置傳感器網絡
[0032]根據所采用結構健康監測技術的監測內容(損傷或撞擊)、信號傳輸距離等特點，在結構上布置傳感器(壓電傳感器、光纖傳感器等)網絡，并根據傳感器網絡的間距以及結構健康監測技術的識別精度，確定監測定位結果可能存在的距離誤差。以壓電傳感器用于損傷識別為例，通常其間距為10?15cm左右。據目前經驗來看，結構健康監測技術的識別精度較小，大概能在傳感器間距的1/4到1/2。相當于僅能做到區域定位，也就是說能識別在哪幾個傳感器圍成的區域。要根據傳感器間距和識別精度來確定當需要自動化無損檢測子系統跟進時的詳細掃查區域的面積大小。
[0033]b)激勵/采集信號
[0034]使結構健康監測子系統采集硬件處于工作狀態:若監測撞擊，則處于待觸發狀態，一旦結構受到撞擊，采集傳感器接收到的撞擊信號；若監測損傷，設定激勵信號、激勵-接收路徑、采樣參數，并激勵、采集信號。
[0035]c)損傷/撞擊結果診斷
[0036]通過先進的信號處理和診斷算法，初步診斷損傷位置、損傷面積或撞擊位置、撞擊能量。此處的信號處理和診斷算法是指結構健康監測技術的相應方法。結構健康監測技術發展至今，有很多信號處理和診斷算法。因為本發明需要保護的核心不在此，所以此處的信號處理和診斷算法可以是現有技術所公開的方法。
[0037]2)判斷初檢損傷面積/撞擊能量是否大于閾值
[0038]通過先驗知識，即結構健康監測技術的診斷結果損傷面積/撞擊能量是否引起結構中的真正損傷、或引起的損傷是否需要詳細檢查的經驗來設定閾值，當本次檢查出的損傷面積/撞擊能量大于此閾值時，系統確認需要對損傷/撞擊位置需要詳細檢查；否則，不需要進一步詳細檢查，本次檢查流程結束。
[0039]3)確定自動化無損檢測技術的詳細檢測區域與方案
[0040]當上一步確認需要詳細檢查時，根據結構健康監測技術初步檢測的損傷/撞擊位置以及所采用技術定位存在的最大距離誤差，劃定需要自動化無損檢測技術詳細檢測的區域位置和大小。根據自動化無損檢測技術(基于機械手臂的自動噴水超聲C掃技術或激光超聲檢測技術)的檢測特點，在確定好的檢測位置和區域設定詳細檢測的機械手臂運動軌跡與步進精度。
[0041]4)驅動機械手臂進行詳細檢測
[0042]利用上一步確定好的檢測位置和檢測方案，驅動裝有激勵/傳感裝置的機械手臂對待檢測區域進行詳細檢查，并根據信號處理和診斷算法計算含有損傷信息的二維矩陣(剩余強度/壽命計算模型為板殼單元)或三維矩陣(剩余強度/壽命計算模型為三維實體單元)，其中二維/三維矩陣代表結構空間點上的損傷情況。此處的信號處理和診斷算法可以是現有技術的算法。
[0043]5)基于詳細檢測結果，預測結構剩余強度/壽命
[0044]基于上一步中詳細檢測得出的含有損傷信息的二維矩陣或三維矩陣，建立其與剩余強度/壽命計算模型剛度的對應關系，使得以二維/三維矩陣為輸入，自動更新計算模型，并計算結構剩余強度/壽命。
[0045]例如，矩陣中某元素為1，說明對應的結構位置處沒有損傷，對應剩余強度/壽命計算模型中該位置的材料參數不需要折減；若矩陣中某元素為1/2，說明對應的結構位置處含有損傷，將對應剩余強度/壽命計算模型中該位置的材料參數折減為原來的1/2。這樣建立一種一一對應的關系可以方便自動化地更新剩余強度/壽命計算模型。
[0046]2、系統組成
[0047]本發明所涉及的這種混雜結構健康監測/自動化無損檢測技術的航空結構剩余強度/壽命自動化快速評估系統的組成如圖2所示。
[0048]可以看出系統包含4個子系統:綜合控制子系統、結構健康監測子系統、自動化無損檢測子系統、剩余壽命/強度預測子系統，其中綜合控制子系統首先指令結構健康監測子系統初步監測結構中可能出現的撞擊/損傷，綜合控制子系統根據得出的撞擊能量/損傷大小判斷是否需要詳細的掃描，如撞擊能量/損傷面積大小大于設定的閾值時，綜合控制子系統向自動化無損檢測子系統發出指令對結構健康監測子系統監測到的損傷/撞擊位置利用機械手臂進行詳細掃描，并將詳細掃描結果數據化發送到剩余壽命/強度預測子系統，并輸入有限元模型計算結構的剩余強度/壽命。子系統的具體模塊內容如下:
[0049]1)綜合控制子系統
[0050]綜合控制子系統與結構健康監測子系統、自動化無損檢測子系統、剩余強度/壽命預測子系統相連，用于協調、控制整個系統的工作，其結構