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編輯部：看到你們《力學園地》刊登的“怎樣才能確保海洋平臺結構健康”的文章，很感興趣。能否再著重介紹一下有關疲勞裂紋擴展的健康監(jiān)測技術研究進展及其在其它領域的應用呢？
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疲勞裂紋擴展的健康監(jiān)測技術研究

結構健康監(jiān)測技術是一門涉及材料、測控、力學、機械、信息通信等多個學科的前沿研究領域，它同傳統(tǒng)的無損檢測技術相比具有能夠實時、在線監(jiān)測的優(yōu)點，而且所用設備一般比較簡單，易于進行大范圍的結構監(jiān)測。裂紋是結構中典型的損傷類型之一。在一些諸如金屬橋梁、飛行器、核反應堆等重要結構中，由于初始結構缺陷的存在和結構所處環(huán)境中各種因素的影響，使它們在設計壽命服役期內(nèi)或超期服役期間不可避免地產(chǎn)生了裂紋，如果不能及時準確地監(jiān)測出這些裂紋的萌生及其擴展情況，可能會導致重大事故的發(fā)生。特別是，結構中許多局部損傷的初始狀態(tài)都是以微裂紋形式表現(xiàn)出來的，監(jiān)測出這些裂紋的產(chǎn)生及其擴展情況對于提高結構安全至關重要。所以，裂紋監(jiān)測已成為結構健康監(jiān)測領域中研究的熱點和難點。
這里在以下幾個方面對疲勞裂紋監(jiān)測技術研究，特別是在航空領域的進展狀況，做一個簡要的介紹。
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一、結構健康監(jiān)測概述
在航空領域，隨著航空科學技術的飛速發(fā)展，飛機結構設計思想不斷更新，輕質、高可靠性、高機動性、高維護性、高生存力、超音速巡航、隱身、大航程和短距起落的綜合要求已成為現(xiàn)代軍用飛機結構設計的一項極為重要而且必須遵循的準則。目前常用的飛行器故障診斷和維護主要分為定期和不定期檢測維護兩種。傳統(tǒng)無損檢測非常耗時，同時在無損檢測手段中，還不具備實時在線大面積監(jiān)測的功能，且大多數(shù)設備復雜，成本高，對一些性能比較復雜的材料結構，如復合材料結構，一些小的損傷還不能很好地檢測到。這都迫切需要發(fā)展一種在線、實時有效的方法加以解決。結構健康監(jiān)測技術正是適應上述要求，由美國軍方首先提出并在復合材料結構中開展研究的。
結構健康監(jiān)測雖然源于航空工業(yè)的需求，但是其應用領域并不局限于航空領域。橋梁、大壩、高層建筑、體育場館等土木工程結構、船舶潛艇、汽車、高速列車、工程機械、發(fā)電設備、輸油輸氣管線等，這些結構與設施的安全性問題同樣日益得到關注，因此結構健康監(jiān)測日益成為工程界和學術界研究的一個熱門課題。
結構健康監(jiān)測技術借鑒了大量無損檢測技術的方法和進展，但兩者之間還是有區(qū)別的，主要的不同點表現(xiàn)在以下幾方面：
1．結構健康監(jiān)測是利用已同結構材料集成在一起的功能元件實現(xiàn)結構自身狀態(tài)的監(jiān)測，一旦功能材料集成到結構后，這些功能元件就被固定，只能被用來監(jiān)測自身結構的安全。而無損檢測方法則采用外部設備元件，實現(xiàn)對結構的檢測，檢測的對象可多種多樣。
2．結構健康監(jiān)測主要強調(diào)“監(jiān)測”的概念，而無損檢測則強調(diào)“檢測”的概念；監(jiān)測的含義更多地是指對結構進行實時、在線的檢測，而非事后的檢測；大多無損檢測技術無法對結構進行實時、在線檢測。
3．結構健康監(jiān)測系統(tǒng)一般設備簡單，易于實現(xiàn)，可進行大范圍的結構監(jiān)測，而無損檢測系統(tǒng)一般設備復雜，檢測區(qū)域有限，需要人工參與，而且要求校驗較多。
4. 結構健康監(jiān)測技術是一門新興技術，有待進一步發(fā)展，無損檢測技術相對比較成熟。
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二、結構健康監(jiān)測的研究內(nèi)容
結構健康監(jiān)測利用集成在結構中的先進傳感/驅動元件網(wǎng)絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，結合先進的信號信息處理方法，提取特征參數(shù)，識別結構的狀態(tài)，實現(xiàn)結構健康自診斷，并能夠提供結構的安全性評估，預測損傷結構的剩余壽命，以保證結構的安全和降低維修費用。目前，結構健康監(jiān)測主要研究領域包含傳感器技術、通訊技術、結構建模技術、損傷辨識技術、信息融合技術和系統(tǒng)集成技術等。
1．傳感器技術
監(jiān)測結構的健康狀況需要傳感器主動或被動地感受結構的變化，為了能夠更好地感受這些不同形式的結構變化，如靜態(tài)的、動態(tài)的、小變形、大變形等，也就需要具有不同性能的傳感器。結構健康監(jiān)測中常用的傳感器有電阻應變式傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等。
電阻應變式傳感器的主要優(yōu)點是：(1) 性能穩(wěn)定，很容易研制成與結構材料相配的絲材，這種絲材僅受應變影響，不受溫度的影響。(2)電阻應變絲埋入材料對原材料強度影響很小。(3)相配套的儀表很成熟，很容易和計算機及其它設備兼容。但是存在的問題有：(1)電阻應變絲的輸出信號小，易受干擾。(2)為了提高檢測靈敏度，需要研究最佳的布置方案。
壓電傳感器的主要特點是：(1)既可以作為驅動器，又可以作為傳感器。(2)響應速度快，動態(tài)性能好。(3)尺寸可以做得很小和很薄，既適合于安裝在結構表面，也可以埋入結構中。但是壓電材料制成的傳感器也存在一些問題：(1)激勵應變小，一般僅300微應變。(2)壓電陶瓷的極限應變小，最大不超過700微應變。(3)壓電材料和結構母體材料融合方法有待研究，要求埋入材料結構中既不影響強度，又不成為材料的夾雜。
光纖傳感器具有電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條件下工作等優(yōu)點，但其成本較高，設備也比較復雜，應用范圍可以從民用結構到航空航天結構。
傳感器技術除了傳感器的研制，還涉及傳感器集成技術，如壓電智能夾層即是采用柔性印刷線路工藝將壓電傳感器網(wǎng)絡設計制作成壓電智能夾層以有效地解決壓電監(jiān)測系統(tǒng)中常用的直接將壓電片粘貼在結構上所引起的膠層厚度不均、電絕緣問題、傳感性能分散、竄擾大的弊端。智能夾層的主要優(yōu)點在于：（1）采用改進的柔性印刷技術，可以有效地解決壓電片同復合材料集成過程中的電絕緣問題、引線問題并保證多個傳感器埋入工藝的一致性；（2）可以被預先制造、測試、儲藏和合成到結構中，使用方便；（3）作為一種柔性膜，可便于根據(jù)各種應用結構的形狀，在制作時把智能夾層制成各種形狀，還可以根據(jù)三維結構的形狀做適當?shù)募舨谩?/span>
2．通訊技術
結構健康監(jiān)測通訊技術包括以電纜或電線作為基礎傳輸介質組成的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和近年來廣泛發(fā)展的無線傳感網(wǎng)絡。無線傳感技術是傳感技術的一個研究熱點，在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的前景，得到了國內(nèi)外越來越多研究機構的關注和重視。無線傳感網(wǎng)絡綜合了微型傳感器技術、通信技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理以及集成電路技術，使它能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理和傳送。相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡具有引線少、靈活性高、可靠性高、運用范圍廣等特點。
3．結構建模分析技術
結構建模分析技術是結構健康監(jiān)測的重要組成部分。首先，通過對結構模型進行力學分析，可以獲知整個結構的力學特性，指導結構健康監(jiān)測中傳感器的優(yōu)化布置；其次，通過對結構建模進行仿真，可以先驗地獲知結構健康監(jiān)測方法的有效性，指導實驗方法的實施；另外，還可以對結構模型進行結構物理參數(shù)分析、模態(tài)分析等，再利用實驗測得的數(shù)據(jù)進行模型修正，通過比較修正矩陣與健康狀態(tài)下的相應矩陣來提供結構損傷指標，判斷損傷產(chǎn)生的位置及損傷程度。
4．損傷辨識技術
結構健康監(jiān)測的首要任務就是辨識損傷。損傷辨識技術首先需要從傳感器接收到的信號中提取特征量，再采取相應的方法，判別出結構有無損傷、損傷的位置以及損傷的程度。信號的特征量可以是幅值、相位、時間、頻率組分等，其中幅值可以是原始信號的幅值，也可以是特定頻率成分信號的幅值或是其它，時間信息也是如此。從原始信號中提取出這些信息后要進行處理，通常涉及到的信號處理方法有：濾波去噪、頻譜分析、小波變換、黃氏變換等。相應的損傷辨識方法則有基于時間延遲的方法、基于頻率組分的模態(tài)參數(shù)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡辨識法等。
5．信息融合技術
結構健康監(jiān)測技術的發(fā)展是為了實用化，而實際工程的結構是多樣化的，大部分是相當復雜的。面對復雜結構而布置的傳感器網(wǎng)絡，獲得的傳感器信息也是巨大的，因此，如何正確處理這些海量的數(shù)據(jù)是非常重要的。信息融合技術是協(xié)同利用多源信息，以獲得對同一事物或目標的更客觀、更本質認識的信息綜合處理技術。這里的融合是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而生成完整、準確、及時和有效的綜合信息。它比直接從各信息源得到的信息更簡潔、更少冗余、更有用途。融合的概念始于20世紀70年代初期,當時稱為多傳感器或多源相關、多源合成、多傳感器混合和數(shù)據(jù)融合。80年代以來,信息融合技術得到迅速發(fā)展，現(xiàn)在多稱之為數(shù)據(jù)融合或信息融合。根據(jù)信息和數(shù)據(jù)的含義，用信息融合比較合適，因為更有概括性。信息融合的基本功能是相關、估計和識別。它涉及多方面理論和技術，如信號處理、估計理論、不確定性理論、模式識別、最優(yōu)化技術、神經(jīng)網(wǎng)絡和人工智能等。
6．系統(tǒng)集成技術
結構健康監(jiān)測技術起源于航空領域，而航空結構的特殊要求使得結構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須具備體積小、重量輕、功能強大等特點，因此，要將結構健康監(jiān)測系統(tǒng)應用于這些工程結構中，系統(tǒng)集成技術的研究是必不可少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)集成包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩個方面的集成。軟件系統(tǒng)集成就要求軟件系統(tǒng)同時具備信號采集、信號顯示、數(shù)據(jù)存儲、信號處理、界面顯示等強大功能，并且結構要簡單、代碼效率要高、運行速度要快。硬件系統(tǒng)的集成要求各硬件之間運作協(xié)調(diào)、整個硬件系統(tǒng)穩(wěn)定性要高、體積要小、重量要輕，便于機載。
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三、結構健康監(jiān)測的主要方法
理想的結構健康監(jiān)測方法應該能準確地在損傷發(fā)生的初期，發(fā)現(xiàn)損傷并能夠定位及確定損傷的程度，進而提供結構的安全性評估，并能預測損傷結構的剩余壽命。相應的結構監(jiān)測通常分為如下幾個步驟：
第一步：診斷，明確結構中是否有損傷。
第二步：定位，確定結構中損傷出現(xiàn)的位置。
第三步：評估，評估損傷的程度。
第四步：預測，預測結構的安全性，如安全壽命。
結構健康監(jiān)測的方法有很多，如：頻率變化法、模態(tài)變化法、模態(tài)曲率及應變模態(tài)變化法、動態(tài)彈性測量方法、矩陣修正法、非線性法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的監(jiān)測方法等。
結構健康監(jiān)測的方法從技術角度劃分，可以分為基于振動的損傷監(jiān)測方法和基于信號的損傷監(jiān)測方法。前者利用振動、壓力、聲發(fā)射、超聲波等信號，提取信號的某種特征進行損傷辨識結構的物理、模態(tài)參數(shù)或是建立非參數(shù)模型進行損傷辨識。后者利用結構的物理、模態(tài)參數(shù)或是建立非參數(shù)模型進行損傷辨識。
（1）基于振動的損傷監(jiān)測方法。從結構的參數(shù)識別角度上，這類方法又可以分為結構物理參數(shù)分析技術、模態(tài)分析技術和非物理模型法。
結構物理參數(shù)分析技術是基于調(diào)整結構模型矩陣（如質量、剛度、阻尼），使其產(chǎn)生與實測的靜態(tài)、動態(tài)響應非常接近的數(shù)據(jù)。因此，在結構參數(shù)識別技術中最常用到結構模型是有限元模型。有限元模型通過單元的應力應變關系來反映結構的連接性、特征，結構參數(shù)識別技術需要經(jīng)常修正矩陣，它通過由結構的運動方程、健康狀態(tài)下的名義模型及實測數(shù)據(jù)而形成的一個約束優(yōu)化問題的求解來滿足要求。通過比較修正矩陣與健康狀態(tài)下的相應矩陣來提供結構損傷指標，判斷損傷產(chǎn)生的位置及損傷程度。
模態(tài)分析技術是對結構動態(tài)特性的解析分析和試驗分析，其結構動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。結構損傷將導致結構的動態(tài)特性（如固有頻率、固有振型、和模態(tài)阻尼等）發(fā)生變化，由固有頻率和固有振型可以推出結構的質量矩陣和剛度矩陣，于是可以根據(jù)未損傷結構和損傷結構的質量矩陣和剛度矩陣來確定損傷位置和程度。在數(shù)學上，模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗方面則是試驗測得的系統(tǒng)之極點(固有頻率和阻尼)和振型(模態(tài)向量)。模態(tài)分析有兩種求解方式：有限元法和試驗模態(tài)分析法。結構的固有頻率和固有振型可以通過試驗直接測得或由有限元模型計算得到，模態(tài)阻尼主要由試驗直接測得。有限元模型與實際結構之間的差異，這可能造成模型的誤差而產(chǎn)生的偏差與損傷產(chǎn)生的效果相當，于是很難識別損傷。除了模型和實際結構的差異外，基于模態(tài)分析的方法還將受到傳感器獲取數(shù)據(jù)的非完整性以及測量信號中噪聲的影響。這些都可能使該方法在探測損傷時失效。
非物理模型法主要是根據(jù)結構頻響函數(shù)或傳遞函數(shù)、脈沖響應函數(shù)，反映振動系統(tǒng)的特性。結構出現(xiàn)損傷時，結構的頻響函數(shù)和脈沖響應函數(shù)則會發(fā)生相應的變化，根據(jù)這些變化，就可以辨識出一些損傷。
（2）基于信號的損傷監(jiān)測方法。它不需要識別結構的動力學參數(shù)，而是通過對比所檢測結構與無損傷結構的響應信號或信號的某種特征參數(shù)來識別損傷。通常是針對結構局部構件的檢測。一般來說，直接測試得到的動態(tài)響應信號要經(jīng)過處理才能提取出其特征參數(shù)，在基于試驗信號處理的損傷檢測方法中，用于信號處理的方法是多種多樣的，但其根本目的都是要提取出足夠多的響應信息和追求足夠高的信號損傷敏感度?？偟膩碚f，該方法可分為兩種：一種是在時間域上進行結構響應信號的分析；一種是求得信號的某些非時域特征值，如信號峰值、能量積分，然后再比較這些值來識別結構的損傷。
從信號的來源劃分，結構健康監(jiān)測的方法又可以分為主動監(jiān)測和被動監(jiān)測。主動監(jiān)測采用驅動器對結構主動施加激勵信號，使用傳感器接收結構的響應信號，通過監(jiān)測結構在主動激勵下的結構響應信號實現(xiàn)結構健康監(jiān)測。被動監(jiān)測則通過傳感器監(jiān)測結構的響應，感知外界的溫度、機械、電學或化學變化。主動監(jiān)測和被動監(jiān)測主要區(qū)別在于監(jiān)測系統(tǒng)中有沒有對結構進行主動激勵，傳感器是被動還是主動地接收結構響應信號。被動監(jiān)測需要使傳感元件始終處于被動接收狀態(tài)，只有結構狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生相應的物理變化量時，傳感元件才起作用。目前聲發(fā)射是一種典型的被動監(jiān)測方法。主動監(jiān)測可以在任意時刻對結構進行在線監(jiān)測，不需要始終保持監(jiān)測狀態(tài)，有效節(jié)省資源，降低成本，同時對環(huán)境噪聲和干擾具有抑制能力。基于主動Lamb波的監(jiān)測技術就是一種典型的、目前也是較為熱門的主動監(jiān)測方法。
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四、結構健康監(jiān)測的研究進展