劉哲軍 陳 博 金 珂 徐 林 盧 鵡 陳 穎 馬兆慶 劉春立 何 濤

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)（ISHM）［1-2］是指利用與結(jié)構(gòu)集成一起的傳感器或驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測的綜合技術(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念首先由歐美等先進(jìn)國家提出，在可重復(fù)使用航天器安全性和可靠性需求的牽引下，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測逐漸發(fā)展成一個(gè)內(nèi)涵廣泛的檢測領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)傳感器、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合視覺識(shí)別、聲發(fā)射動(dòng)態(tài)檢測、無損探傷以及震動(dòng)檢測、應(yīng)力應(yīng)變檢測、溫濕度檢測等在內(nèi)綜合智能監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷深入［3］。隨著當(dāng)前世界范圍內(nèi)高超聲速飛行器、空天往返飛行器、空間探測器等各類航天器迅猛發(fā)展，高可靠、低成本、可重復(fù)使用飛行器成為未來飛行器發(fā)展趨勢(shì)［4］，智能監(jiān)測技術(shù)也迅速在航天領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用［5］。因結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測能具備實(shí)時(shí)監(jiān)測構(gòu)件狀態(tài)的潛力，對(duì)提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估可靠性和降低維護(hù)成本有巨大幫助，美、俄、日等航天強(qiáng)國都在積極開展智能健康監(jiān)測的研究與工程實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測核心技術(shù)的重大突破。

在航天強(qiáng)國戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，我國也積極發(fā)展可重復(fù)使用航天器，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究水平整體處于跟隨狀態(tài)，但在傳感器及相關(guān)設(shè)備研發(fā)、在線監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)歸集與處理技術(shù)等多個(gè)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域與國外還有顯著的差距。

本文綜述了近年來復(fù)合材料智能健康監(jiān)測在傳感器制作技術(shù)、傳感器與復(fù)合材料集成技術(shù)、復(fù)合材料狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、復(fù)合材料損傷及失效表征技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)主要研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀，擬為未來航天復(fù)合材料檢測技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。

1 復(fù)合材料智能健康監(jiān)測傳感器技術(shù)

傳感器是實(shí)現(xiàn)智能復(fù)合材料狀態(tài)感知的基礎(chǔ)。用于智能健康監(jiān)測的傳感器主要包括壓電晶片主動(dòng)式傳感器（PWAS）、光纖類傳感器（圖1）兩大類。

圖1 光纖傳感器原理、實(shí)物和儀器Fig.1 Principles、objects and instruments of fiber optic sensor

PWAS 的檢測原理是將壓電晶片采用膠黏劑粘接的方法固定在復(fù)合材料表面或復(fù)合在內(nèi)部，當(dāng)對(duì)PWAS 激勵(lì)時(shí)，由于PWAS 的膨脹或收縮可導(dǎo)致材料面內(nèi)應(yīng)變并產(chǎn)生導(dǎo)波，接受導(dǎo)波的反射或折射信號(hào)實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測［6］。在傳感器復(fù)合后盡可能不降低復(fù)合材料的完整性需求的牽引下，PWAS經(jīng)歷了從壓電陶瓷到壓電薄膜的發(fā)展過程。目前商業(yè)化的PWAS 以Acellent 科技公司開發(fā)的SMART Layer TM傳感器為主要代表，這是一種具有壓電晶片傳感器網(wǎng)絡(luò)的薄介電膜，可用于嵌入復(fù)合材料中或安裝于結(jié)構(gòu)表面上。資料顯示，PWAS是目前健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛和成熟的傳感器類型之一［7］。

光纖傳感器起源于20世紀(jì)70年代。按照功能和原理可以分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、光柵調(diào)制光纖傳感器（FBG）等四大類。

由于FBG具有制造簡單、可嵌入且容易實(shí)現(xiàn)復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，成為目前健康檢測領(lǐng)域研究和使用最為廣泛的光纖類傳感器［8］。FBG的一個(gè)典型應(yīng)用是不需要機(jī)械連接或耦合，僅需簡單的寫入技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)在同一光纖上寫入的多種不同光柵從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)尋址和復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)具有良好的抗干擾能力，可以很容易轉(zhuǎn)換成晶體管-晶體管邏輯電路，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化。英國研究人員將兩個(gè)不同波長的光柵刻入同一位置，并分別進(jìn)行干涉解調(diào)，最終制作出可采集應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的FBG傳感器［9］。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室則利用布里淵散射技術(shù)，結(jié)合光纖光柵特征，通過使用一根光纖在兩套解調(diào)系統(tǒng)分別干涉，獲得波長及頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變以及溫度的同時(shí)測量［10］。國內(nèi)研究人員基于壓電-光纖傳感原理，研制了壓電-光纖綜合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)不僅可對(duì)結(jié)構(gòu)抽釘?shù)娜笔?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測，而且可以分辨所實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的4種抽釘缺失程度［11］。面對(duì)未來智能復(fù)合材料健康監(jiān)測要求，高靈敏度、多數(shù)據(jù)采集、易復(fù)合的傳感器仍是重要發(fā)展方向。

2 傳感器與復(fù)合材料的集成技術(shù)

傳感器與復(fù)合材料的復(fù)合是實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測的第一步。受傳感器尺寸效應(yīng)的影響，無論壓電式還是光纖類傳感器，在與復(fù)合材料集成的過程中都會(huì)改變復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)甚至外形，這在一定程度上限制了復(fù)合材料的成型和完整性，極易造成局部分層、脫粘等缺陷，從而大大降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。韓國研究人員發(fā)現(xiàn)FBG 傳感器沿增強(qiáng)纖維方向埋入復(fù)合材料內(nèi)部時(shí)，材料性能基本上沒有變化；而當(dāng)光纖的埋設(shè)方向與增強(qiáng)纖維方向垂直時(shí)，其性能變化明顯，壓縮強(qiáng)度最大減小至70%［12］。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器垂直碳纖維方向植入復(fù)合材料內(nèi)部時(shí)，傳感器周邊的碳纖維發(fā)生形變，樹脂容易填入形變部分，造成樹脂淤積，此時(shí)對(duì)復(fù)合材料的性能有著較大影響；而當(dāng)傳感器平行植入時(shí)，樹脂不會(huì)在光纖周圍聚集，不形成富樹脂區(qū)，此時(shí)植入的FBG 傳感器對(duì)復(fù)合材料的影響較?。?3］。另一方面，當(dāng)光纖埋入到復(fù)合材料中，會(huì)在光纖與復(fù)合材料的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而影響光纖的傳輸性能，引起光纖損傷甚至光纖網(wǎng)絡(luò)整體性能的下降或失效。

由于光纖傳感器主要由SiO2組成，質(zhì)地脆弱、抗剪能力差，在后續(xù)植入和固化過程中很容易在剪切力的作用下受損并斷裂，造成傳感器耦合效率和成活率的降低。為了解決這一問題，國內(nèi)外的研究人員主要從盡可能減小植入光纖的直徑、增加光纖材料的韌性、合理規(guī)劃光纖植入時(shí)機(jī)和植入方向及保護(hù)工藝等方面入手以最大程度避免光纖處產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力集中［14］。其中，研制聚合物光纖、合理布置光纖的走向并采用特氟龍（聚四氟乙烯）套管對(duì)光纖傳感器的尾纖進(jìn)行保護(hù)就是相對(duì)有效的方式之一。

圖2［15］為研究人員總結(jié)的光纖傳感器與復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合的工藝流程圖。按照該流程，在鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶上進(jìn)行光纖傳感器復(fù)合的現(xiàn)場見圖3。

圖2 光纖傳感器在復(fù)合材料試板上進(jìn)行復(fù)合的流程Fig.2 Composite process of composite material integrated fiber optic sensor

圖3 復(fù)合光纖傳感器氣瓶的試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.3 Test of composite test tank with fiber optic sensor

分析認(rèn)為，提高光纖傳感器的耦合效率、復(fù)合成活率以及光纖引出端連接強(qiáng)度及其保護(hù)已成為目前光纖類傳感器在智能健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的重要研究方向。

3 復(fù)合材料狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

復(fù)合材料狀態(tài)監(jiān)測主要分為固化過程監(jiān)測以及服役過程監(jiān)測。復(fù)合材料的固化是通過熱、光、輻射或化學(xué)添加劑的作用，使樹脂體系發(fā)生不可逆的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)形成復(fù)合材料的過程［16］。在固化過程中產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力，是困擾成型后復(fù)合材料應(yīng)用的主要問題。殘余應(yīng)力會(huì)降低復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌性，使基體產(chǎn)生裂紋，甚至脫粘。另外，殘余應(yīng)力還會(huì)引起復(fù)合材料部件的彎曲變形，從而給大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的組裝和形位精度控制帶來困難。研究表明，利用內(nèi)置傳感器的方式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測復(fù)合材料固化中應(yīng)力以及溫度的變化，幫助發(fā)現(xiàn)固化工藝中存在的問題，使工藝人員全面了解復(fù)合材料的固化特性，改進(jìn)固化工藝，提高復(fù)合材料固化工藝水平及產(chǎn)品質(zhì)量。美國研究人員曾將干涉儀、光纖光柵傳感器和熱電偶同時(shí)植入碳纖維復(fù)合材料中，對(duì)固化過程中材料內(nèi)部的應(yīng)變和溫度變化進(jìn)行了監(jiān)測，驗(yàn)證了嵌入式光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程的可行性和準(zhǔn)確性［17］。美國國家宇航局（NASA）采用了光纖光柵傳感器對(duì)復(fù)合氣瓶固化的過程中的應(yīng)變進(jìn)行試驗(yàn)性檢測，單光柵傳感器和多光柵傳感器在固化和沖擊試驗(yàn)前后的信號(hào)輸出變化情況如圖4所示。

圖4 FBG在復(fù)合氣瓶沖擊損傷前后的信號(hào)響應(yīng)Fig.4 Signals response of the FBG sensors composite cylinder before and after cure and impact

國內(nèi)的相關(guān)研究起步要晚一些，1997年至2000年間，東南大學(xué)對(duì)光纖傳感器監(jiān)測樹脂基復(fù)合材料的成型過程作了大量研究，研究人員在對(duì)復(fù)合了光纖傳感器的碳纖維面板進(jìn)行固化時(shí)，利用FBG 傳感器對(duì)固化溫度和固化過程的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測［18］。2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用FBG 傳感器開發(fā)的小型解調(diào)系統(tǒng)，通過無線信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，可測量復(fù)合材料壓力容器的溫度環(huán)境［19］。2012年，武漢理工大學(xué)在單向鋪層復(fù)合材料層合板上植入了FBG 傳感器，利用FBG 傳感器監(jiān)測了固化過程中復(fù)合材料板在不同厚度、不同纖維編織方向上的狀態(tài)變化，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力［20］。2018年山東大學(xué)在對(duì)復(fù)合了光纖傳感器的碳纖維面板進(jìn)行固化時(shí)，利用FBG 傳感器對(duì)固化溫度和固化過程的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測，給出了固化溫度的理論工藝曲線和利用FBG 傳感器的實(shí)測溫度變化曲線如圖5所示［21］。

圖5 復(fù)合材料面板固化工藝溫度理論和實(shí)測值曲線Fig.5 The theoretical and measured temperature curves of curing process for composite panels

復(fù)合材料服役過程中狀態(tài)檢測主要是對(duì)服役過程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、定位材料因會(huì)受到極端服役環(huán)境條件、沖擊、局部集中應(yīng)力等因素的影響，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的不同程度損傷。復(fù)合材料服役過程中狀態(tài)監(jiān)測對(duì)于提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役可靠性、評(píng)估結(jié)構(gòu)使用壽命準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。2000年左右，NASA引入光纖光柵傳感技術(shù)，主要針對(duì)復(fù)合材料容器開展了部分光纖傳感器前期應(yīng)用研究工作。NASA 馬歇爾宇航中心率先使用表面粘貼的FBG 成功監(jiān)測了復(fù)合材料壓力容器的爆破過程，制作的智能復(fù)合氣瓶及爆破試如圖6所示，試驗(yàn)分析認(rèn)為，粘貼傳感器的膠黏劑韌性主要決定了光纖傳感器的使用壽命，而其他無損檢測結(jié)果（主要是聲發(fā)射定位結(jié)果）對(duì)于指導(dǎo)光纖傳感器的粘貼位置具有重要意義［22］。

圖6 智能復(fù)合氣瓶制作與爆破試驗(yàn)監(jiān)測Fig.6 The production and blasting test site of intelligent composite gas cylinder

日本東京大學(xué)和NASA 相關(guān)人員隨后相繼開展了復(fù)合材料貯箱液氮低溫靜壓試驗(yàn)過程的狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，通過在縮比的儲(chǔ)箱表面或內(nèi)部復(fù)合了大量光纖類傳感器，在與表面粘貼的電阻應(yīng)變片的測量結(jié)果進(jìn)行一致性對(duì)比試驗(yàn)中取得了良好的效果［23］。2014年，南京航空航天大學(xué)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮的損傷過程進(jìn)行了在線監(jiān)測，利用FBG 傳感器采集的數(shù)據(jù)分析得到蒙皮的失效載荷和順序，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性［24］。面向未來復(fù)合材料狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)需求，發(fā)展多數(shù)據(jù)融合監(jiān)測技術(shù)，提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及可判讀性將是重要的發(fā)展方向。

圖7 復(fù)合了光纖傳感器的復(fù)合材料貯箱低溫破壞試驗(yàn)在線監(jiān)測現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring site and experimental data of low temperature failure test of composite material tank with fiber optic sensors

4 復(fù)合材料損傷和失效表征技術(shù)

復(fù)合材料的拉伸疲勞損傷演化與損傷機(jī)制與疲勞應(yīng)力的大小直接相關(guān)，但受材料鋪層結(jié)構(gòu)的影響，材料中鋪層取向可能會(huì)改變損傷的演化使其復(fù)雜化，呈現(xiàn)出漸進(jìn)損傷的主要特征。多層復(fù)合材料試樣在拉伸載荷作用下的損傷發(fā)展一般經(jīng)歷基體開裂、界面脫粘的裂紋耦合、分層、纖維斷裂、失效5個(gè)損傷發(fā)展階段［25］。目前，對(duì)于復(fù)合材料損傷及失效的表征技術(shù)主要有材料結(jié)構(gòu)剛度監(jiān)測、聲發(fā)射檢測等技術(shù)。

由于復(fù)合材料在不同損傷發(fā)展階段所表現(xiàn)的力學(xué)特性-剛度特性不同，因此獲得疲勞過程中復(fù)合材料剛度退化時(shí)表現(xiàn)出來的特征規(guī)律，就可以對(duì)材料損失進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合剩余剛度還可以獲得剩余疲勞壽命。但由于服役過程中的一些大型結(jié)構(gòu)、尤其是異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剛度無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量，這也是以剛度作為疲勞壽命指征的監(jiān)測技術(shù)最大的難點(diǎn)。美國研究人員針對(duì)剛度衡量困難問題，提出了通過采集復(fù)合材料中Lamb 波的波速來表征材料剛度，由于產(chǎn)生的裂紋會(huì)對(duì)Lamb 波的波速產(chǎn)生影響，間接反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度變化，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷做出評(píng)估［26］。韓國研究人員采用遺傳算法，通過測量復(fù)合層板不同方向上多個(gè)模態(tài)Lamb 波的傳播速度，計(jì)算出了復(fù)合層板材料中的剛度系數(shù)［27］。國內(nèi)研究人員采用Lamb 波主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，利用粘貼在復(fù)合材料板表面的壓電元件，初步實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料二維結(jié)構(gòu)的損傷定位［28］。這些研究均表明利用剛度退化模型，結(jié)合Lamb 波波速變化可以對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的疲勞進(jìn)行評(píng)估，而對(duì)預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余壽命還需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。

聲發(fā)射檢測技術(shù)因具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)等特點(diǎn)在復(fù)合材料材料性能表征和結(jié)構(gòu)健康領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料損傷模式的聲發(fā)射特征及損傷演化的階段進(jìn)行了大量研究。國內(nèi)的航天材料及工藝研究所在對(duì)大量材料研究的基礎(chǔ)上獲得了多種規(guī)格復(fù)合材料的損傷特征及損傷階段信息。圖8給出了T700 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸變形至斷裂過程聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線的變化趨勢(shì)與資料顯示的復(fù)合材料在疲勞過程的損傷變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)圖具有很強(qiáng)的相似性。說明聲發(fā)射結(jié)果的變化趨勢(shì)與材料損傷發(fā)展演化結(jié)果趨勢(shì)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖8 聲發(fā)射計(jì)數(shù)累積曲線與復(fù)合材料、金屬材料疲勞性能的對(duì)比Fig.8 Comparison of AE counting curves and fatigue performance of composite and mental material

2015年，航天材料及工藝研究所利用聲發(fā)射連續(xù)和斷續(xù)監(jiān)測技術(shù)對(duì)復(fù)合氣瓶疲勞失效過程進(jìn)行了監(jiān)測［29］。試驗(yàn)表明復(fù)合氣瓶在液壓疲勞失效過程中，聲發(fā)射信號(hào)主要來自氣瓶的金屬內(nèi)襯開裂、復(fù)合層基材損傷和界面損傷，疲勞過程幾乎不會(huì)出現(xiàn)明顯的纖維損傷。利用疲勞過程聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)累積曲線的拐點(diǎn)可以將復(fù)合氣瓶疲勞至失效過程分為三個(gè)發(fā)展階段。當(dāng)氣瓶進(jìn)入第三個(gè)階段時(shí)，表明氣瓶的損傷已經(jīng)很嚴(yán)重，內(nèi)膽的密封功能已經(jīng)失效，臨近氣瓶的疲勞壽命終點(diǎn)。表1為航天材料及工藝研究所研究總結(jié)的部分牌號(hào)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聲發(fā)射損傷階段的劃分結(jié)果，

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聲發(fā)射損傷階段的劃分Tab.1 Classification of C/C composite materials AE damage stages

綜合分析表明，損傷階段的劃分基本適用于所有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的長期疲勞損傷行為，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞或服役過程中同步進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，獲得損傷階段信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估也是重要的技術(shù)途徑之一。

綜合分析認(rèn)為，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷的基本機(jī)制、積累、特征以及損傷容限概念的研究在材料級(jí)試驗(yàn)層面已經(jīng)進(jìn)行了40 多年，但是受材料自身性能和制備工藝等綜合影響，許多損傷發(fā)展的根本性問題特別是疲勞過程中復(fù)合材料損傷發(fā)展與宏觀損傷與應(yīng)力變化的相關(guān)關(guān)系問題仍然沒有找出準(zhǔn)確的答案，復(fù)合材料真應(yīng)力損傷演化機(jī)制、典型損傷模態(tài)及損傷特征、損傷嚴(yán)重程度的量化評(píng)估與驗(yàn)證仍然是制約復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)難點(diǎn)。

5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一些簡單元件（神經(jīng)元）及其層次組織的大規(guī)模并行連接構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)。它致力于按照生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的同樣方式處理真實(shí)世界的客觀事物。進(jìn)入90年代，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究蓬勃發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于許多科學(xué)領(lǐng)域，如圖像識(shí)別、語音識(shí)別、信號(hào)處理、模式識(shí)別、運(yùn)動(dòng)進(jìn)程控制、故障診斷、知識(shí)處理及基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能計(jì)算機(jī)的開發(fā)研究等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：（l）分布式信息存儲(chǔ)；（2）大規(guī)模并行信息處理；（3）自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)功能［30］。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的許多優(yōu)勢(shì)對(duì)健康監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析及模式識(shí)別具有強(qiáng)大的吸引力，因而兩者的結(jié)合為解決這一技術(shù)難題提供了一條重要技術(shù)途徑。1999年，航天材料及工藝研究所寬頻帶傳感器及線陣列方式對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各類模式試樣采集了波形及信號(hào)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)合材料主要六類損傷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別學(xué)習(xí)［31］。2014年，意大利米蘭理工大學(xué)利用對(duì)復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分類，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，準(zhǔn)確識(shí)別出不同的失效模式的聲發(fā)射信號(hào)［32］。2015年，中國工程物理研究院搭建了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料低速?zèng)_擊定位系統(tǒng)，將傳感器接收信號(hào)時(shí)間差數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本的輸入、信號(hào)區(qū)域定位作為輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊信號(hào)的定位［33］。

盡管國內(nèi)外許多學(xué)者借用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在復(fù)合材料損傷模式識(shí)別等方面取得了一定的成績，但在無損檢測工程化應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用尚未有重大突破。這與該技術(shù)在社會(huì)領(lǐng)域的應(yīng)用成就（人臉識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)等等）形成鮮明對(duì)比。研究表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的不完善、檢測領(lǐng)域典型損傷特征獲取困難、多數(shù)據(jù)分析中權(quán)重配比與復(fù)合材料損傷的關(guān)聯(lián)以及分析結(jié)果的驗(yàn)證等四個(gè)方面是基于多數(shù)據(jù)融合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及工程化應(yīng)用的主要障礙和技術(shù)難題。此外，檢測操作者的經(jīng)驗(yàn)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的成功率和有效率也有直接的影響，并且訓(xùn)練次數(shù)和數(shù)據(jù)的多少與網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和識(shí)別成功率成正比。因此，如何借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理多數(shù)據(jù)融合的健康監(jiān)測仍有諸多研究難題亟待攻克。

6 展望

航天復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一門涉及材料、測控、力學(xué)、機(jī)械、信息通信等多個(gè)學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)相比具有實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天裝備試驗(yàn)維修領(lǐng)域檢測技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。研究認(rèn)為，未來航天復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)圍繞智能化這個(gè)核心，集中開展適用于航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的智能傳感器與集成技術(shù)、服役環(huán)境下疲勞損傷和失效機(jī)制表征技術(shù)、智能化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、智能健康監(jiān)測系統(tǒng)集成化技術(shù)、結(jié)合視覺識(shí)別的多數(shù)據(jù)融合智能分析與處理技術(shù)等技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)為了可重復(fù)運(yùn)載飛行器或長期運(yùn)行飛行器大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性應(yīng)用目標(biāo)。