一种飞行器结构的疲劳部件监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及材料裂纹检测技术，尤其涉及一种飞行器结构的疲劳部件监测系统及其监测方法。

背景技术：

飞行器的结构部件，在服役期使用一段时间后，会逐渐出现裂纹损伤现象而影响飞行安全。

目前对飞行器结构部件的裂纹损伤情况进行监测，一般采用的措施，是在结构部件附近，按照一定方式布贴和安装应变计，利用应变计测量装置记录结构部件在服役使用中的应变历程，然后通过载荷计算获得相应的数据结果，最后利用数据结果对飞机结构部件的疲劳状况进行定量分析。

但是，上述的监测方法中，每个应变计测量装置均需要两根电源线、两根通信用的信号线连接。对于大型飞行器而言，由于其结构部件非常多，需要用到的应变计测量装置数量也非常多，因此需要的电源线、信号线的数量呈倍数增长。但是，飞行器受空间和重量以及安全要求的限制，很多情况下不允许使用多根电源线和信号线。因此，很难同时使用多个应变计测量装置实时对飞行器的结构部件裂纹损伤情况进行监测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种飞行器结构的疲劳部件监测系统及其监测方法，旨在通过将多个应变计进行连接和通信，构成大规模应变计测量装置通信网络，以便能够实时对飞行器的结构部件裂纹损伤情况进行全面监测。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述飞行器结构的疲劳部件监测系统的荷载计算控制系统，通过应变计测量装置获取应变计的应力应变情况，根据应力应变数值计算结构的疲劳部件所受载荷。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种飞行器结构的疲劳部件监测系统，包括供电模块，还包括多个应变计、多个应变计测量装置和一个数据处理装置；

所述供电模块通过两根电源线为所述应变计测量装置和数据处理装置提供电源；

所述应变计测量装置分别电连接多个应变计，利用应变计采集被监测疲劳部件的应变数值；

所述数据处理装置，用于通过有线通信或/和无线通信方式，汇总处理所述应变计测量装置发送来的数据，经过预处理，形成对应变计实时值的诊断结果。

其中，所述数据处理装置与多个应变计测量装置通过2根can总线的信号线实现有线通信。

所述数据处理装置与多个应变计测量装置通过无线射频识别rfid技术实现无线通信。

所述多个应变计至少为2个。所述多个应变计测量装置至少为2个。

所述应变计测量装置，包括第一电源模块、第一can总线接口、第一rfid接口、第一存储模块、第一cpu、第一数据处理模块以及模数a/d转换模块；其中，

第一电源模块，与供电模块电连接，经过电压变换为所述应变计测量装置的各个模块及与其相连的应变计供电；

a/d转换模块，用于连接所述应变计，将应变计监测到的模拟信号转换为数字信号；

第一数据处理模块，在第一cpu的指令下，将通过a/d转换模块后的应变计的实时数值转换后的数据汇总起来，剔除异常数据值，再将各个通道接收的应变计实时数值，按照一定的格式组成数据包，通过第一can总线接口或者第一rfid接口发送给数据处理装置；

第一存储模块，用于存储应变计采集到的实时数值。

所述数据处理装置，包括第二电源模块、设备接口模块、第二can总线接口、第二rfid接口、第二存储模块、第二cpu和第二数据处理模块；

第二电源模块，与供电模块电连接，经过电压变换为所述数据处理模块的各个模块供电；

第二can总线接口，用于与应变计测量装置的第一can总线接口进行数据交换；

第二rfid接口，用于与应变计测量装置的第一rfid接口进行数据交换；

第二数据处理模块，在第二cpu的指令下，汇总处理各个应变计测量装置的数据，经过一定的处理流程，形成对应变计实时数值的诊断结果，并实时将诊断结果存储在所述第二存储模块中。

设备接口模块，具体为与外部设备的存储接口或通信接口，用于连接荷载计算控制装置。

一种采用所述飞行器结构的疲劳部件监测系统的荷载计算控制系统，包括安装有荷载计算程序模块，被配置用于通过应变计的实时数值，计算应变场，根据应变场的变化，计算结构所受的载荷。

一种飞行器结构的疲劳部件监测方法，包括如下步骤：

a、利用供电模块通过两根电源线为数据处理装置和应变计测量装置提供电源；

b、通过应变计测量装置分别电连接多个应变计，利用应变计采集被监测疲劳部件的应变数值；

c、通过数据处理装置利用有线通信或/和无线通信方式，汇总处理所述应变计测量装置发送来的数据，经过预处理，形成对应变计实时值的诊断结果。

其中，步骤c所述通过数据处理装置利用有线通信或/和无线通信方式，所述有线通信方式为：利用数据处理装置与多个应变计测量装置通过2根can总线的信号线实现；所述无线通信方式为：利用数据处理装置与多个应变计测量装置通过无线射频识别rfid技术实现。

本发明的飞行器结构的疲劳部件监测系统及其监测方法，具有如下有益效果：

采用本发明，能够大大简化所述监测系统中的电源线、信号线的数量，从而为利用应变计进行大规模组网应用其监测飞行器结构的疲劳部件的变化情况奠定了技术基础。尤其是采用无线组网方式，通过采用rfid技术，省去了通信用的信号线，能够进一步减少有线线路的使用数量和降低实际使用中的布线条件限制，使得应用其进行大型飞行器结构的疲劳部件同时监测成为可能。

附图说明

图1为本发明实施例之一飞行器结构的疲劳部件监测系统的大规模应变计组网结构框图；

图2为本发明实施例之二飞行器结构的疲劳部件监测系统的大规模应变计组网结构框图；

图3为本发明实施例应变计测量装置的功能示意图；

图4为本发明实施例数据处理装置的功能示意图；

图5为应用本发明所述疲劳部件监测系统根据应力应变情况计算疲劳部件所受荷载的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明飞行器结构的疲劳部件监测系统及其监测方法作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例之一飞行器结构的疲劳部件监测系统的大规模应变计组网结构框图。

如图1所示，在该实施例一中，采用有线通信方式对应变计、应变计测量装置和数据处理装置进行组网。具体组网方式如下：

采用2根电源线对应变计测量装置1、应变计测量装置2、……、应变计测量装置n以及数据处理装置进行供电。其中一根为电源线，另一根为地线。利用供电模块，通过所述2根电源线为数据处理模块和所有的应变计测量装置供电。每个应变计测量装置，分别电连接若干应变计，即应变计1、应变计2、……、应变计n。

在实施例一中，所述每个应变计测量装置（参考图3）和数据处理装置（参考图4）之间，通过can总线的通信方式进行数据交换。

数据处理装置的can总线，可以同时跟多个应变计测量装置进行通信。数据处理装置的can总线接口所带的两根can总线，与所有的应变计测量装置的can总线接口相连。

数据处理装置的can接口作为主控单元，按照预设的顺序，通过can总线，与每个应变计检测装置的can接口进行数据交换。所述数据处理装置通过can总线接口读取与之相连的应变计测量装置中所存储的、通过应变计测得的结构部件的应变数值，从而实现每个应变计测量装置和数据处理装置的数据交换。

图2为本发明实施例之二飞行器结构的疲劳部件监测系统的大规模应变计组网结构框图。

如图2所示，在该实施例二中，采用无线通信方式对应变计、应变计测量装置和数据处理装置进行组网。具体组网方式如下：

仍然采用2根电源线对应变计测量装置1、应变计测量装置2、……、应变计测量装置n以及数据处理装置进行供电。其中一根为电源线，另一根为地线。利用供电模块，通过所述2根电源线为数据处理模块和所有的应变计测量装置供电。每个应变计测量装置，分别电连接若干应变计，即应变计1、应变计2、……、应变计n。

在该实施例二中，每个应变计测量装置（参考图3）和数据处理装置（参考图4）之间，通过无线通信方式进行数据交换。例如，可采用无线射频识别（radiofrequencyidentification，rfid）技术在所有应变计测量装置和数据处理装置之间进行数据交换。

每个应变计测量装置设有一个rfid接口（参考图3），连接rfid标签，每个所述rfid标签均有唯一的电子编码。

将所述数据处理装置的rfid接口（参考图4），连接rfid阅读器。即设置rfid阅读器为主控单元，按照预设的顺序，与每一个所述rfid标签进行无线通信，读取与之相连的应变计测量装置中所存储的、通过应变计测的结构部件的应变数值，从而实现每个应变计测量装置和数据处理装置的数据交换。

通过上述实施例一、实施例二，均可大大简化所述监测系统中间的电源线、信号线的数量，从而为利用应变计进行大规模组网应用其监测飞行器结构的疲劳部件的变化情况奠定了技术基础。尤其是采用实施例二的无线组网方式，通过采用rfid技术，省去了通信用的信号线，能够进一步减少有线线路的使用数量和降低实际使用中的布线条件限制，使得应用其进行大型飞行器结构的疲劳部件同时监测成为可能。

上述实施例一、实施例二中，采用can总线的有线通信方式和采用rfid方式的无线通信方式，其数据交换方式均可以相同。例如，可将数据处理装置设主控，依次轮询每个应变计测量装置，当轮询到某个应变计测量装置时，数据处理装置就与该应变计测量装置进行数据交换。

其数据交换的数据帧格式，主要包括：包头+应变计编号+数据内容。所述包头可以自行设定，如0xfa。

应变计测量装置的编号须事先统一设定，使每个应变计测量装置均有唯一的编号。数据内容，主要是应变计测量得到的实时应变数据（数值）。

图3为本发明实施例应变计测量装置的功能示意图。所述应变计测量装置，主要用于采集各个应变计的实时数据（数值），经过一定的处理，将实时数据传送给数据处理装置。每个应变计测量装置，可以连接多个应变计。

如图3所示，该应变计测量装置，包括与供电模块相连的第一电源模块，还包括第一can总线接口、第一rfid接口、第一存储模块、第一cpu、第一数据处理模块以及模数（a/d）转换模块。

所述第一电源模块，与供电模块相连，经过电压变换为所述应变计测量装置的各个模块及与其相连的应变计供电。

所述模数（a/d）转换模块，用于连接所述应变计，将应变计监测到的模拟信号转换为数字信号。应变计测量装置将实时采集应变计的变化值，首先过滤掉非法值，然后将所有的应变计数值，打成一个数据包，通过所述第一can总线接口或第一rfid接口实时传输给数据处理装置。

所述第一数据处理模块，在第一cpu的指令下，将通过a/d转换模块后的应变计的实时数值转换后的数据汇总起来，剔除异常数据值，再将各个通道接收的应变计实时数值，按照一定的格式组成数据包，通过第一can总线接口或者第一rfid接口发送给数据处理装置。

所述第一存储模块，用于存储应变计采集到的实时数值。

这里，所述的第一can总线接口，用于与数据处理装置的第二can总线接口进行数据交换。第一rfid接口，用于与数据处理装置的第二rfid接口进行数据交换。在实际使用过程中，可以使用这有线通信、无线通信这两种方式中的任何一种，也可以两种方式同时使用。所述的第一cpu，用作应变计测量装置的主控模块，在本发明实施例中，采用的是stm32芯片来实现。

图4为本发明实施例数据处理装置的功能示意图。所述数据处理装置，主要用于通过第二can总线接口或第二rfid接口，汇总处理各个应变计测量装置发送来的数据，经过预设的处理流程，形成对应变计实时值的诊断结果，实时存储诊断结果。当实时值大于给定阈值时，给出实时警告信息。

如图4所示，该数据处理装置，包括第二电源模块、设备接口模块、第二can总线接口、第二rfid接口、第二存储模块、第二cpu和第二数据处理模块。

所述第二电源模块，与供电模块相连，经过电压变换为所述数据处理模块的各个模块供电。

所述第二can总线接口，用于与应变计测量装置的第一can总线接口进行数据交换；第二rfid接口，用于与应变计测量装置的第一rfid接口进行数据交换。在使用的过程中，可以使用这有线或无线通信方式这两种中的任一种，也可以两种方式同时使用。

所述第二cpu，用作所述数据处理装置的主控模块，在本发明实施例中，采用arm芯片。

所述第二数据处理模块，在第二cpu的指令下，汇总处理各个应变计测量装置的数据，经过一定的处理流程，形成对应变计实时数值的诊断结果，并实时将诊断结果存储在所述第二存储模块中。

所述设备接口模块，具体为与外部设备的存储接口或通信接口，可用于连接荷载计算控制装置。例如，所述荷载计算控制装置，可以是一台安装有相关软件程序模块，被设置用于通过应变计的实数数值，计算应变场，根据应变场的变化，计算结构所受的载荷。

图5为应用本发明所述疲劳部件监测系统根据应力应变情况计算疲劳部件所受荷载的系统示意图。

该荷载计算控制系统，包括应变计测量装置、与应变计测量装置相连的若干应变计、数据处理装置和荷载计算控制装置。

如图5所示，为应用该系统在一个铝合金（飞机）翼梁上通过布设一定数量的应变计，通过应变计测量装置获取应变计的应力应变情况，根据应力应变数值计算结构的疲劳部件所受载荷的实施例。

根据对飞机机翼的翼梁的分析，飞机机翼的翼梁主要受到三种载荷的作用，分别是弯矩、剪力和扭矩。在飞机飞行的情况下，机翼的翼梁将同时受到弯矩、剪力和扭矩三种载荷的共同作用。在铝合金翼梁的上表面，将多个应变计分别布设在距离铝合金翼梁中心轴的不同位置处（参考图5），作为不同的测量点。还可以在铝合金翼梁的侧表面处，将多个应变计分别布设在铝合金翼梁的中轴线处，此位置从铝合金翼梁的高度方向将铝合金翼梁平分为两部分，同样作为不同的测量点（图略）。

我们对布贴在铝合金翼梁上表面的光纤光栅直角应变化进行分析：

当在铝合金翼梁上加载纯扭转载荷时，只有45°方向的应变计具有良好线性关系。

当加载弯剪载荷时，经分析可知，在只有纯剪力存在时，只有0°方向的应变计具有良好的线性关系，45°方向的应变计具有弱线性关系。

当加载纯弯曲载荷时，有0°和90°方向的应变计具有良好的线性关系。因此可知，在铝合金翼梁上加载载荷时，不同方向的应变计与弯剪扭载荷之间具有相互独立的关系，可以利用弯剪扭载荷的共同加载来建立应变与载荷关系矩阵。

根据试验数据所建立的应变与载荷关系矩阵如下：

上式中，参数m代表弯矩，q代表剪矩，t代表扭矩。

上述应变与载荷关系矩阵，适用于本发明实施例试验所设计的铝合金翼梁尺寸下的在结构弹性变形范围内的结构静载的监测，而在飞机的正常飞行中，其机翼的变形都维持在弹性变形的范围内。在飞机机翼翼梁的工程应用上，对于不同结构尺寸的翼梁，需要按照本发明实施例的实验方法，在实际翼梁上加载外载进行标定试验，确定同种形式，但系数不同的载荷矩阵。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。