航空航天结构健康监测损伤检测系统

复杂且难预测的损伤机制检测是航空航天行业面临的一大挑战。结构健康监测（SHM）系统可以连续监测并进行数据分析，在早期发现裂纹、变形等损伤，提高航空航天部件的安全性和检测效率。SHM系统利用传感器网络、无线通信和能量收集技术，可以实现无额外负担的监测，适用于起落架、翼盒等关键承重部件的健康评估。相较于传统方法，SHM能显著节省维修时间，并提供损伤位置和影响的即时评估结果。基于声发射和声超声的监测技术尤为引人注目，其在实验室中的成功应用展示了该技术在航空航天领域的广阔前景。同时，光纤应变测量系统的现代化应用也为 SHM提供了新的可能，超越了传统方法的局限。

译者序
原书序
第1章 引言 1
第2章 航空航天领域的监测任务 4
2.1 状态监测 7
2.2 运行监测 7
2.3 损伤监测 8
2.4 挑战 10
参考文献 11
第3章 缺陷类型 13
3.1 金属材料 13
3.1.1 制造过程中的缺陷 14
3.1.2 在役期过程中的缺陷 15
3.2 复合材料 30
3.2.1 脱黏 31
3.2.2 分层 33
3.2.3 杂质 33
3.2.4 基体开裂 35
3.2.5 孔隙 36
3.2.6 纤维断裂 37
3.2.7 复合材料层压板的其他典型缺陷 37
3.2.8 典型的蜂窝芯缺陷 38
3.2.9 典型泡沫芯缺陷 39
3.2.10 湿度和温度的影响 40
3.2.11 疲劳 40
3.3 涂层缺陷 43
3.3.1 制造过程中的缺陷 44
3.3.2 在役过程中的缺陷 47
3.4 接头缺陷 49
vi 航空航天结构健康监测损伤检测系统
3.4.1 胶接接头 49
3.4.2 摩擦搅拌焊接接头 53
3.5 本章小结 55
参考文献 56
第4章 航空航天要求 63
4.1 功耗 65
4.2 系统可靠性和耐用性 66
4.3 服役条件的影响 67
4.4 尺寸和重量限制 68
4.5 最佳传感器布局 69
4.6 本章小结 71
参考文献 71
第5章 超声检测方法 74
5.1 超声波检测简介 74
5.2 超声导波检测 76
5.2.1 导波传播的控制方程 78
5.2.2 主动和被动导波检测 81
5.2.3 色散和衰减 81
5.2.4 导波激励与模式选择 82
5.3 缺陷检测 84
5.3.1 缺陷定位与成像：稀疏阵列、相控阵和导波层析成像 84
5.3.2 导波与实际结构缺陷的相互作用 88
5.4 SHM系统的可靠性 89
5.4.1 检测概率和误报概率的基本概念 90
5.4.2 SHM系统的可变性来源 92
5.4.3 环境和运行条件分析 94
5.4.4 检测概率评估解决方案 96
5.4.5 基于SHM系统的检测概率模型 97
5.5 导波在航空航天部件SHM中的应用 98
5.6 本章小结 100
参考文献 101
第6章 基于振动响应的损伤检测 113
6.1 引言 113
6.2 基于振动方法的基本原理 116
6.3 环境和操作影响 116
6.4 基于模态的方法和损伤特征 117
6.4.1 自然频率 118
6.4.2 模态形状 118
6.4.3 模态斜率 119
6.4.4 模态曲率 119
6.4.5 应变能 120
6.4.6 模态阻尼 121
6.4.7 插值误差 122
6.5 时间序列方法 122
6.5.1 自回归参数 122
6.5.2 本征模态函数和希尔伯特谱 124
6.5.3 信号分量 125
6.5.4 基于提取特征的损伤指数 127
6.5.5 奇异谱分析 129
6.5.6 一阶特征扰动技术 129
6.6 时频方法 130
6.7 缺点和局限性 132
6.8 案例研究 133
6.8.1 通过加速度响应在复合板中进行基于振动的损伤检测 133
6.8.2 基于模态方法的损伤检测数值比较 135
6.8.3 基于振动的缩尺风力涡轮机叶片监测：通过加速度和应变响应 136
6.9 本章小结 138
参考文献 138
第7章 声发射 149
7.1 引言 149
7.2 基本实验细节与参数 151
7.3 板状结构断裂模式的表征 154
7.3.1 声发射源类型 156
7.3.2 声发射源识别程序 158
7.4 定位技术 161
7.5 传播的影响 171
7.6 不同的传感器类型 174
7.7 专用航空应用与实例 175
7.8 一般注意事项 177
参考文献 177
第8章 应变监测 187
8.1 应变计 187
8.2 光纤传感器 189
8.2.1 简介 189
8.2.2 光纤传感器的类型 190
8.2.3 干涉测量法 190
8.2.4 马赫-曾德尔干涉仪 190
8.2.5 迈克耳孙干涉仪 191
8.2.6 萨格纳克干涉仪 192
8.2.7 法布里-珀罗 193
8.2.8 光纤布拉格光栅传感器 194
8.2.9 其他光纤布拉格光栅结构 195
8.2.10 最先进的损伤检测系统 197
8.2.11 声发射询问器(OptimAE) 198
8.2.12 光纤传感器在航空领域的应用 199
8.3 基于应变的SHM201
参考文献 202
第9章 数据缩减策略 206
9.1 引言 206
9.2 信号处理 206
9.3 数据缩减策略方法 208
9.3.1 不同SHM方法的采样率 208
9.3.2 已建立的数据缩减方法 211
9.3.3 SHM系统中数据缩减面临的挑战 213
9.4 无线传感考虑因素 214
9.4.1 网络拓扑 214
9.4.2 数据传输速率 216
9.4.3 同步方式 218
9.4.4 电源管理和功耗 219
9.4.5 能量收集与电池管理的未来发展 221
9.5 数据管理 222
9.5.1 可靠性 223
9.5.2 责任问题 224
9.5.3 地面系统 224
9.6 本章小结 224
参考文献 225
第10章 结论 233
10.1 航空航天中一体化SHM方法概述 233
10.1.1 超声导波监测 235
10.1.2 振动监测 235
10.1.3 声发射监测 236
10.1.4 应变监测 236
10.2 缺陷检测能力 237
10.3 SHM技术的优缺点 238
10.4 未来飞机中安全健康管理集成的路线图 239
10.5 未来研究方向 241