结构健康监测：疲劳裂纹扩展的健康监测技术研究概述

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　　结构健康监测技术是一门涉及材料、测控、力学、机械、信息通信等多个学科的前沿研究领域，它同传统的无损检测技术相比具有能够实时、在线监测的优点，而且所用设备一般比较简单，易于进行大范围的结构监测。

　　裂纹是结构中典型的损伤类型之一。在一些诸如金属桥梁、飞行器、核反应堆等重要结构中，由于初始结构缺陷的存在和结构所处环境中各种因素的影响，使它们在设计寿命服役期内或超期服役期间不可避免地产生了裂纹，如果不能及时准确地监测出这些裂纹的萌生及其扩展情况，可能会导致重大事故的发生。特别是，结构中许多局部损伤的初始状态都是以微裂纹形式表现出来的，监测出这些裂纹的产生及其扩展情况对于提高结构安全至关重要。所以，裂纹监测已成为结构健康监测领域中研究的热点和难点。

　　这里在以下几个方面对疲劳裂纹监测技术研究，特别是在航空领域的进展状况，做一个简要的介绍。

　　一、结构健康监测概述
       在航空领域，随着航空科学技术的飞速发展，飞机结构设计思想不断更新，轻质、高可靠性、高机动性、高维护性、高生存力、超音速巡航、隐身、大航程和短距起落的综合要求已成为现代军用飞机结构设计的一项极为重要而且必须遵循的准则。

　　目前常用的飞行器故障诊断和维护主要分为定期和不定期检测维护两种。传统无损检测非常耗时，同时在无损检测手段中，还不具备实时在线大面积监测的功能，且大多数设备复杂，成本高，对一些性能比较复杂的材料结构，如复合材料结构，一些小的损伤还不能很好地检测到。这都迫切需要发展一种在线、实时有效的方法加以解决。结构健康监测技术正是适应上述要求，由美国军方首先提出并在复合材料结构中开展研究的。

　　结构健康监测虽然源于航空工业的需求，但是其应用领域并不局限于航空领域。桥梁、大坝、高层建筑、体育场馆等土木工程结构、船舶潜艇、汽车、高速列车、工程机械、发电设备、输油输气管线等，这些结构与设施的安全性问题同样日益得到关注，因此结构健康监测日益成为工程界和学术界研究的一个热门课题。

　　结构健康监测技术借鉴了大量无损检测技术的方法和进展，但两者之间还是有区别的，主要的不同点表现在以下几方面：

　　1、结构健康监测是利用已同结构材料集成在一起的功能元件实现结构自身状态的监测，一旦功能材料集成到结构后，这些功能元件就被固定，只能被用来监测自身结构的安全。而无损检测方法则采用外部设备元件，实现对结构的检测，检测的对象可多种多样。

　　2、结构健康监测主要强调“监测”的概念，而无损检测则强调“检测”的概念;监测的含义更多地是指对结构进行实时、在线的检测，而非事后的检测;大多无损检测技术无法对结构进行实时、在线检测。

　　3、结构健康监测系统一般设备简单，易于实现，可进行大范围的结构监测，而无损检测系统一般设备复杂，检测区域有限，需要人工参与，而且要求校验较多。

　　4、结构健康监测技术是一门新兴技术，有待进一步发展，无损检测技术相对比较成熟。

　　二、结构健康监测的研究内容
       结构健康监测利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，结合先进的信号信息处理方法，提取特征参数，识别结构的状态，实现结构健康自诊断，并能够提供结构的安全性评估，预测损伤结构的剩余寿命，以保证结构的安全和降低维修费用。目前，结构健康监测主要研究领域包含传感器技术、通讯技术、结构建模技术、损伤辨识技术、信息融合技术和系统集成技术等。

　　1. 传感器技术
　　监测结构的健康状况需要传感器主动或被动地感受结构的变化，为了能够更好地感受这些不同形式的结构变化，如静态的、动态的、小变形、大变形等，也就需要具有不同性能的传感器。结构健康监测中常用的传感器有电阻应变式传感器、压电传感器、光纤传感器等。

　　电阻应变式传感器的主要优点是：
　　  · 性能稳定，很容易研制成与结构材料相配的丝材，这种丝材仅受应变影响，不受温度的影响。
　　  · 电阻应变丝埋入材料对原材料强度影响很小。
　　  · 相配套的仪表很成熟，很容易和计算机及其它设备兼容。

　　但是存在的问题有：
　　  · 电阻应变丝的输出信号小，易受干扰。
　　  · 为了提高检测灵敏度，需要研究最佳的布置方案。

　　压电传感器的主要特点是：
　　  · 既可以作为驱动器，又可以作为传感器。
　　  · 响应速度快，动态性能好。
　　  · 尺寸可以做得很小和很薄，既适合于安装在结构表面，也可以埋入结构中。

　　但是压电材料制成的传感器也存在一些问题：
　　  · 激励应变小，一般仅300微应变。
　　  · 压电陶瓷的极限应变小，最大不超过700微应变。
　　  · 压电材料和结构母体材料融合方法有待研究，要求埋入材料结构中既不影响强度，又不成为材料的夹杂。

　　光纤传感器具有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但其成本较高，设备也比较复杂，应用范围可以从民用结构到航空航天结构。

　　传感器技术除了传感器的研制，还涉及传感器集成技术，如压电智能夹层即是采用柔性印刷线路工艺将压电传感器网络设计制作成压电智能夹层以有效地解决压电监测系统中常用的直接将压电片粘贴在结构上所引起的胶层厚度不均、电绝缘问题、传感性能分散、窜扰大的弊端。

　　智能夹层的主要优点在于：
　　  · 采用改进的柔性印刷技术，可以有效地解决压电片同复合材料集成过程中的电绝缘问题、引线问题并保证多个传感器埋入工艺的一致性;
　　  · 可以被预先制造、测试、储藏和合成到结构中，使用方便;
　　  · 作为一种柔性膜，可便于根据各种应用结构的形状，在制作时把智能夹层制成各种形状，还可以根据三维结构的形状做适当的剪裁。

　　2.通讯技术
　　结构健康监测通讯技术包括以电缆或电线作为基础传输介质组成的数据传输系统和近年来广泛发展的无线传感网络。无线传感技术是传感技术的一个研究热点，在结构健康监测系统中具有广阔的前景，得到了国内外越来越多研究机构的关注和重视。

　　无线传感网络综合了微型传感器技术、通信技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理以及集成电路技术，使它能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理和传送。相对于传统的数据传输系统，无线传感网络具有引线少、灵活性高、可靠性高、运用范围广等特点。

　　3.结构建模分析技术
　　结构建模分析技术是结构健康监测的重要组成部分。首先，通过对结构模型进行力学分析，可以获知整个结构的力学特性，指导结构健康监测中传感器的优化布置;其次，通过对结构建模进行仿真，可以先验地获知结构健康监测方法的有效性，指导实验方法的实施;另外，还可以对结构模型进行结构物理参数分析、模态分析等，再利用实验测得的数据进行模型修正，通过比较修正矩阵与健康状态下的相应矩阵来提供结构损伤指标，判断损伤产生的位置及损伤程度。

　　4.损伤辨识技术
　　结构健康监测的首要任务就是辨识损伤。损伤辨识技术首先需要从传感器接收到的信号中提取特征量，再采取相应的方法，判别出结构有无损伤、损伤的位置以及损伤的程度。信号的特征量可以是幅值、相位、时间、频率组分等，其中幅值可以是原始信号的幅值，也可以是特定频率成分信号的幅值或是其它，时间信息也是如此。从原始信号中提取出这些信息后要进行处理，通常涉及到的信号处理方法有：滤波去噪、频谱分析、小波变换、黄氏变换等。相应的损伤辨识方法则有基于时间延迟的方法、基于频率组分的模态参数分析法、神经网络辨识法等。

　　5.信息融合技术
　　结构健康监测技术的发展是为了实用化，而实际工程的结构是多样化的，大部分是相当复杂的。面对复杂结构而布置的传感器网络，获得的传感器信息也是巨大的，因此，如何正确处理这些海量的数据是非常重要的。信息融合技术是协同利用多源信息，以获得对同一事物或目标的更客观、更本质认识的信息综合处理技术。这里的融合是指采集并集成各种信息源、多媒体和多格式信息，从而生成完整、准确、及时和有效的综合信息。它比直接从各信息源得到的信息更简洁、更少冗余、更有用途。

　　融合的概念始于20世纪70年代初期,当时称为多传感器或多源相关、多源合成、多传感器混合和数据融合。80年代以来,信息融合技术得到迅速发展，现在多称之为数据融合或信息融合。根据信息和数据的含义，用信息融合比较合适，因为更有概括性。信息融合的基本功能是相关、估计和识别。它涉及多方面理论和技术，如信号处理、估计理论、不确定性理论、模式识别、最优化技术、神经网络和人工智能等。

　　6.系统集成技术
　　结构健康监测技术起源于航空领域，而航空结构的特殊要求使得结构健康监测系统必须具备体积小、重量轻、功能强大等特点，因此，要将结构健康监测系统应用于这些工程结构中，系统集成技术的研究是必不可少的环节。系统集成包括软件系统和硬件系统两个方面的集成。软件系统集成就要求软件系统同时具备信号采集、信号显示、数据存储、信号处理、界面显示等强大功能，并且结构要简单、代码效率要高、运行速度要快。硬件系统的集成要求各硬件之间运作协调、整个硬件系统稳定性要高、体积要小、重量要轻，便于机载。

　　三、结构健康监测的主要方法
       理想的结构健康监测方法应该能准确地在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。相应的结构监测通常分为如下几个步骤：

　　A、诊断，明确结构中是否有损伤。
　　B、定位，确定结构中损伤出现的位置。
　　C、评估，评估损伤的程度。
　　D、预测，预测结构的安全性，如安全寿命。

　　结构健康监测的方法有很多，如：频率变化法、模态变化法、模态曲率及应变模态变化法、动态弹性测量方法、矩阵修正法、非线性法、基于神经网络的监测方法等。

　　结构健康监测的方法从技术角度划分，可以分为基于振动的损伤监测方法和基于信号的损伤监测方法。前者利用振动、压力、声发射、超声波等信号，提取信号的某种特征进行损伤辨识结构的物理、模态参数或是建立非参数模型进行损伤辨识。后者利用结构的物理、模态参数或是建立非参数模型进行损伤辨识。

　　1. 基于振动的损伤监测方法。从结构的参数识别角度上，这类方法又可以分为结构物理参数分析技术、模态分析技术和非物理模型法。

　　结构物理参数分析技术是基于调整结构模型矩阵(如质量、刚度、阻尼)，使其产生与实测的静态、动态响应非常接近的数据。因此，在结构参数识别技术中最常用到结构模型是有限元模型。

　　有限元模型通过单元的应力应变关系来反映结构的连接性、特征，结构参数识别技术需要经常修正矩阵，它通过由结构的运动方程、健康状态下的名义模型及实测数据而形成的一个约束优化问题的求解来满足要求。通过比较修正矩阵与健康状态下的相应矩阵来提供结构损伤指标，判断损伤产生的位置及损伤程度。

　　模态分析技术是对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态特性用模态参数来表征。结构损伤将导致结构的动态特性(如固有频率、固有振型、和模态阻尼等)发生变化，由固有频率和固有振型可以推出结构的质量矩阵和刚度矩阵，于是可以根据未损伤结构和损伤结构的质量矩阵和刚度矩阵来确定损伤位置和程度。

　　在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量，而在试验方面则是试验测得的系统之极点(固有频率和阻尼)和振型(模态向量)。模态分析有两种求解方式：有限元法和试验模态分析法。结构的固有频率和固有振型可以通过试验直接测得或由有限元模型计算得到，模态阻尼主要由试验直接测得。

　　有限元模型与实际结构之间的差异，这可能造成模型的误差而产生的偏差与损伤产生的效果相当，于是很难识别损伤。除了模型和实际结构的差异外，基于模态分析的方法还将受到传感器获取数据的非完整性以及测量信号中噪声的影响。这些都可能使该方法在探测损伤时失效。

　　非物理模型法主要是根据结构频响函数或传递函数、脉冲响应函数，反映振动系统的特性。结构出现损伤时，结构的频响函数和脉冲响应函数则会发生相应的变化，根据这些变化，就可以辨识出一些损伤。

　　2. 基于信号的损伤监测方法。它不需要识别结构的动力学参数，而是通过对比所检测结构与无损伤结构的响应信号或信号的某种特征参数来识别损伤。

　　通常是针对结构局部构件的检测。一般来说，直接测试得到的动态响应信号要经过处理才能提取出其特征参数，在基于试验信号处理的损伤检测方法中，用于信号处理的方法是多种多样的，但其根本目的都是要提取出足够多的响应信息和追求足够高的信号损伤敏感度。

　　总的来说，该方法可分为两种：一种是在时间域上进行结构响应信号的分析;一种是求得信号的某些非时域特征值，如信号峰值、能量积分，然后再比较这些值来识别结构的损伤。

　　从信号的来源划分，结构健康监测的方法又可以分为主动监测和被动监测。主动监测采用驱动器对结构主动施加激励信号，使用传感器接收结构的响应信号，通过监测结构在主动激励下的结构响应信号实现结构健康监测。被动监测则通过传感器监测结构的响应，感知外界的温度、机械、电学或化学变化。

　　主动监测和被动监测主要区别在于监测系统中有没有对结构进行主动激励，传感器是被动还是主动地接收结构响应信号。被动监测需要使传感元件始终处于被动接收状态，只有结构状态发生变化，产生相应的物理变化量时，传感元件才起作用。

　　目前声发射是一种典型的被动监测方法。主动监测可以在任意时刻对结构进行在线监测，不需要始终保持监测状态，有效节省资源，降低成本，同时对环境噪声和干扰具有抑制能力。基于主动Lamb波的监测技术就是一种典型的、目前也是较为热门的主动监测方法。

　　四、结构健康监测的研究进展
       结构健康监测产生的原因也就决定了它的发展，结构健康监测技术的诞生是信息科学与工程及材料科学相互渗透与融合的结果，已在一些重要工程结构健康监测与控制方面展现了良好的应用前景。

　　20世纪90年代以来，随着火星无人探测计划、国际空间站计划、大跨度桥梁等大型工程项目的实施，复杂结构体系的健康监测问题迅速成为国际学术界和工程界关注的热点。它的研究引起了美、英、法、日等发达国家的极大重视，已被列为优先发展的研究领域和优先培育的21世纪高新技术产业之一。

　　在航空航天领域，美国航天局(NASA)的Sarsvanos等人从理论上及实验上证实了利用Lamb波检测复合材料梁结构的分层损伤的有效性。1999年有文献报道，美国洛克希德-马丁公司针对F22的机翼盒段连接件的胶合失效和随机振动状态下的疲劳失效进行了有限元分析和计算机仿真。2001年还有文献报道，该公司又将Bragg光栅光纤传感网络用于X-33箱体结构件的应力和温度的准分布监测。同时美国波音公司在对研发中的787型客运飞机运用智能化的结构健康监测系统，以做到自检测和自动安全预警。美国诺斯罗普-格鲁门公司在地面实验中利用压电传感器及光纤传感器监测具有隔段的F-18机翼结构的损伤及应变。

　　英国国防与评估研究机构的Percival和Birt研究了利用两种基本的Lamb波传播模式检测材料损伤。2000年有文献报道，英国宇航局负责设计研制了相应的结构健康系统应用于Eurofight，布置了基于多点应变片的飞行载荷监测系统，监测了飞机在飞行时的飞行载荷。2004年有文献报道，英国Sheffield大学针对碳纤维盒段，采用16点应变片及6点光栅，通过监测结构应变响应，监测结构的低速冲击载荷。同年还有文献报道，法国瓦朗谢讷大学针对某机翼单格盒段(上下壁板为碳纤维复合材料板)分别采用主动Lamb波监测和被动声发射监测技术，验证其健康监测系统监测真实盒段构件的冲击损伤和脱粘现象的能力。

　　我国自20世纪90年代中期开始在“863”航天高科技计划中投入了一定的资金用于支持大型复杂结构体系健康自我诊断问题的探索性研究。南京航空航天大学、重庆大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学等单位在结构健康监测的研究中也取得了许多成果，如自适应复合材料、光纤智能结构的自诊断、自修复，利用声发射技术和小波分析、神经网络对损伤进行定位等。其中，南京航空航天大学智能材料与结构研究所在利用压电元件及小波分析探索飞机表面结冰的出现及程度研究、应用小波分析及主动监测技术对复合材料实行监测技术的研究、应用神经网络在复合材料主动监测技术中等各方面取得了若干研究成果。

　　在土木工程领域，美国自20世纪80年代中后期就开始在多座桥梁上布设传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态。1989年，美国Brown大学的Mendez等人首先提出把光纤传感器用于混凝土结构的健康检测。

　　以后，结构健康监测技术在土木工程结构中的应用研究就成为一个研究的热点。应用的对象包括桥梁、水坝、高层建筑、公路等等。美国仅在1995年，就投资1.44亿美元，在90座大坝配备了安全监测设备。香港青马大桥安装了500个加速度传感器、粘贴了大量的应变片和一套GPS系统，用以长期监测桥梁的服役安全性。加拿大Roctest公司研制的基于Fabry-Perot白光干涉原理的一系列产品，可以对结构表面及内部应变﹙应力﹚、温度、位移、裂缝、孔隙压力等状况进行监测。

　　另外，英国实施了海上平台智能结构系统的研究计划，针对航海目标、研究以全光纤传感为核心的复合材料海上平台系统，以探索在恶劣的海洋环境下海上平台的健康监测试验等综合技术;英国石油机构声称，由于采用结构健康监测系统，他们的海上石油平台得到了很好的经济效应，平均每一个海上石油平台可以节省五千万英镑左右。2000年Solomon等人对高180米，重21000吨，可以支撑30000吨重量的海上平台结构进行相关研究，发现来自海浪的动态载荷相当明显，可以用来测量海浪的影响和结构的响应，包括挠度和加速度。该系统已经顺利运行了六年，并且结构保存完好。

　　我国不少大型桥梁已研制或正在安装结构健康监测系统，如江苏的苏通大桥、江阴大桥等。哈尔滨工业大学也在863项目的资助下，对海洋钻井平台的结构健康监测系统进行了系统研究。

　　五、裂纹监测的国内外研究现状
       目前在国外的裂纹监测研究领域中，S.Grondel等人在2001年研究了使用基于Lamb波的监测系统对铝质铆钉连接处疲劳裂纹损伤进行监测的可行性，以期降低损伤监测的费用和时间。在研究中，他们对压电传感信号进行了Hilbert变换和时频分析;而且在疲劳实验中也使用了声发射系统对裂纹扩展过程中的声发射情况作了研究。他们的研究结果表明, 可同时运用声发射技术和Lamb波技术进行裂纹监测并具有较好的一致性。

　　2002年，E.L.Clezio等人研究了第一个对称波包模式S0与铝板中裂纹的相互作用。他们分别使用有限元分析和模式分解两种方法对裂纹引起的S0模式衍射情况进行仿真，其结果与实验数据进行了对比。

　　2003年，Fu-Kuo Chang研究了一种基于压电的嵌入式诊断技术对金属板中疲劳裂纹扩展进行了监测。该技术主要由安置于结构内部的压电激励元件激发出诊断信号，然后运用该信号来检测裂纹扩展。该技术主要包括三个部分：诊断信号的产生，信号处理以及损伤评估。

　　· 在诊断信号产生部分，他选择合适的Lamb波使传感信号达到最佳。
　　· 在信号处理过程中，发展了一种可用于损伤检测的Lamb波单模式提取方法，并能提高传感信号的信噪比。
　　· 在损伤评估部分，他又提出了损伤参数的概念，该参数能反应传感信号和裂纹扩展长度之间的关系。

　　为了验证上述技术，该研究者设计了相应的疲劳实验。实验结果表明从传感信号中得到的损伤参数与实际疲劳裂纹扩展长度之间有着良好的一致性。虽然在他的研究中对压电片的位置与监测灵敏度之间的关系有所研究，但是还不够深入，而且没有涉及诊断信号的中心频率对监测结果的影响。

　　2005年，P.S.Tua等人在实验研究中给一个铝管两边各贴上两个直径为5mm，厚为0.5mm的圆形压电片作为Lamb波激励与传感器，然后他们根据Lamb波的传播时间(TOF)和振幅变化来检测和定位裂纹，为了使实验条件接近实际情况，他们把铝管埋入沙子中，只有激励与传感器部分裸露在空气中，实验结果证明了该方法检测深埋结构中裂纹的可行性。

　　此外，美国学者Victor Giurgiutiu对该领域也作出了很大贡献，在1998年他把机电阻抗技术用于裂纹监测中，取得了一定进展，在2005年他同时采用机电阻抗和主动Lamb波两种技术对铝合金试件中的裂纹扩展进行了研究，在相关研究中他通过试件上安置的压电片主动传感器(PWAS)在裂纹扩展每个阶段实现相应的机电阻抗和Lamb波实验。其机电阻抗信号的频率范围为100-500KHz，试件中传播的Lamb波信号为一个频率为417KHz具有3个周期的正弦调制脉冲，经数据分析发现机电阻抗和Lamb波信号都随着裂纹扩展发生变化。从这两种信号中得到的损伤参数都随着裂纹损伤的增大而递增。研究结果表明运用PWAS并结合机电阻抗和Lamb波监测技术在裂纹监测方面具有一定的潜力。在2006年，他把相控阵与主动Lamb波技术结合起来成功实现了铝板中的裂纹监测，并用不同形式的相控阵解决了扫查角度受限问题。

　　在国内，大部分学者在相关领域中主要采用无损检测技术，如海军航空工程学院的张凤林等人在2000年把声发射技术应用于航空领域中，研究了型号为PTAE-4A的机载声发射监测系统并做了随机机载应用研究。2003年，清华大学的李光海博士采用声发射技术监测高频疲劳条件下金属材料的裂纹扩展，研究结果表明声发射参数变化能够有效地反映材料疲劳裂纹扩展过程，并能更早地发现试样内部微小裂纹的变化。但是关于裂纹监测方面的研究文献较少。这是由于一方面相关的裂纹监测方法还没有完善，另一方面对于裂纹这一类较小损伤的监测难度高。

　　本文来源于《力学园地》释疑解惑专栏，由吴永礼根据相关网络资料摘编。