《Aerospace Science and Technology》：Energy Reshaping-Driven Mechano-Electro-Aerodynamic Coupling: Enabling Non-Invasive Aerocraft Structural Mapping
編輯推薦：
自供電多模態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SMAS）通過摩擦電-電磁-壓電（TEP）機(jī)制實(shí)現(xiàn)非侵入式振動(dòng)（0-100Hz）與變形（0-15mm）監(jiān)測，結(jié)合氣動(dòng)優(yōu)化使升力提升1.75%、阻力降低0.8%，并基于MPANet模型達(dá)到98.16%的監(jiān)測準(zhǔn)確率。
Jiaxin Hu|Hengrui Sheng|Rongwei Huang|Yuejuan Li|Yusong Cui|Xingrui Li|Ruoting Zhong|Leo N.Y. Cao|Baodong Chen|Herbert E. Huppert|Zhaohui Yao|Zijie Xu|Zhong Lin Wang
中國科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所，北京 101400，中國
摘要
飛行器安全是太空運(yùn)輸中最重要的因素。結(jié)構(gòu)健康狀況，由封裝材料的完整性和功能韌性決定，直接關(guān)系到這一安全要求。振動(dòng)和變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)演變的主要驅(qū)動(dòng)力，控制著疲勞進(jìn)展和氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性。在這里，我們提出了一種自供電的多模態(tài)機(jī)翼-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SMAS），該系統(tǒng)基于摩擦電-電磁-壓電（TEP）機(jī)制，并進(jìn)行了氣動(dòng)優(yōu)化。SMAS通過能量重塑實(shí)現(xiàn)機(jī)械-電-氣動(dòng)耦合，將周圍氣流能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)機(jī)械能，然后通過TEP機(jī)制將其轉(zhuǎn)換為可測量的電信號(hào)。該系統(tǒng)集成了磁懸浮單元用于振動(dòng)采集和混合柔性基底用于變形檢測，實(shí)現(xiàn)了非侵入式安裝。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬表明，其流線型外殼有效減少了氣流分離，使升力增加了1.75%，阻力降低了0.8%。一種深度學(xué)習(xí)模型——多尺度物理感知注意力網(wǎng)絡(luò)（MPANet），在0-100 Hz的振動(dòng)范圍和0-15 mm的變形范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了98.16%的平均推斷準(zhǔn)確率。憑借其自供電、高精度、氣動(dòng)匹配和非侵入式集成，SMAS為確保載人航空和無人機(jī)應(yīng)用中的飛行安全提供了可靠的解決方案。
引言
飛行安全是航空航天工業(yè)的首要原則，但隨著性能要求的提高和新飛行場景的增多，這一原則面臨著越來越大的挑戰(zhàn)[1,2]。在這種背景下，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測受到了越來越多的關(guān)注[3]，能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估材料完整性和系統(tǒng)可靠性，從而預(yù)測和防止高性能航空航天操作中的故障。機(jī)翼是主要的升力生成結(jié)構(gòu)，對(duì)各種飛機(jī)配置的飛行控制和氣動(dòng)行為有顯著影響[4]。令人擔(dān)憂的是，在復(fù)雜的氣動(dòng)載荷和不可預(yù)測的氣動(dòng)彈性響應(yīng)下，機(jī)翼的結(jié)構(gòu)退化對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成了持續(xù)威脅[5]。不受控制的振動(dòng)會(huì)加速材料疲勞，從而引發(fā)裂紋，而過度變形則會(huì)降低氣動(dòng)效率并影響其功能可靠性[6]。
在多起備受關(guān)注的航空事故中，未檢測到的結(jié)構(gòu)退化及其由持續(xù)振動(dòng)和變形加劇的悲劇性后果已被揭示[7]。2002年，中國航空公司611航班因機(jī)翼根部的一個(gè)應(yīng)力腐蝕裂紋在空中解體，這個(gè)裂紋在二十多年里一直未被發(fā)現(xiàn)，并因持續(xù)的振動(dòng)載荷和環(huán)境暴露而加劇[8]。2018年西南航空公司1380航班的事件與左發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片上的疲勞裂紋有關(guān)，這突顯了關(guān)鍵部件對(duì)振動(dòng)疲勞的脆弱性[9]。綜上所述，這些事件強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確監(jiān)測整個(gè)機(jī)身和推進(jìn)系統(tǒng)中的振動(dòng)和變形的必要性，以評(píng)估疲勞進(jìn)展并確保飛機(jī)的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性[10,11]。
當(dāng)前的機(jī)翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)面臨五個(gè)挑戰(zhàn)：i) 模態(tài)干擾和信號(hào)解耦。基于應(yīng)變計(jì)的系統(tǒng)通常無法區(qū)分由振動(dòng)引起的響應(yīng)和由變形引起的響應(yīng)，尤其是在復(fù)合材料機(jī)翼中[12]。在混合架構(gòu)中，多個(gè)激勵(lì)源的共存會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_，從而導(dǎo)致監(jiān)測失敗[13]。ii) 氣動(dòng)不匹配。機(jī)翼表面的突出結(jié)構(gòu)會(huì)引起局部氣流擾動(dòng)，從而增加氣動(dòng)阻力并降低燃油效率[14]。現(xiàn)有傳感器缺乏氣動(dòng)流線型設(shè)計(jì)，會(huì)在高速時(shí)加劇邊界層破壞[15]。iii) 電源依賴性。光纖應(yīng)變傳感器需要額外的激光模塊和解調(diào)器[16]，而壓電單元需要穩(wěn)定的電路（約300 mW），這增加了復(fù)雜性并限制了其在空間受限結(jié)構(gòu)中的集成。iv) 侵入式安裝。光纖布拉格光柵傳感器雖然靈敏度高，但通常需要在機(jī)翼上切除15 × 20 mm2的區(qū)域，改造通常涉及前緣面板的60-80%拆卸和專門的人工操作[17]。v) 手動(dòng)特征工程。在多源干擾和動(dòng)態(tài)噪聲下，準(zhǔn)確量化信號(hào)仍然很困難，因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法嚴(yán)重依賴于手動(dòng)特征提取和大型標(biāo)記數(shù)據(jù)集[18]。這些持續(xù)存在的障礙凸顯了對(duì)高性能機(jī)翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的迫切需求。
當(dāng)前SHM系統(tǒng)的一個(gè)根本局限性在于對(duì)涉及的物理領(lǐng)域（氣動(dòng)環(huán)境、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電傳感機(jī)制）的考慮是分離的。本研究通過建立嚴(yán)格的機(jī)械-電-氣動(dòng)耦合來引入一種范式轉(zhuǎn)變，這種耦合與能量重塑的概念內(nèi)在相關(guān)。具體來說，該系統(tǒng)旨在積極參與流體-結(jié)構(gòu)相互作用，而不僅僅是觀察它。它通過將耗散的環(huán)境能量（氣流動(dòng)能）轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)機(jī)械能（振動(dòng)和變形），然后通過TEP機(jī)制將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為可用的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種能量重塑過程確保了系統(tǒng)的能源自給自足，同時(shí)將環(huán)境激勵(lì)轉(zhuǎn)化為高保真的信息載體，從而在單一的統(tǒng)一架構(gòu)中解決了電源依賴性和氣動(dòng)不匹配的問題[19,20]。
在這里，我們提出了一種自供電的多模態(tài)機(jī)翼-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SMAS），該系統(tǒng)具有氣動(dòng)優(yōu)化功能，集成了摩擦電-電磁-壓電（TEP）機(jī)制，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)翼振動(dòng)和變形。四極磁懸浮摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）[21],[22],[23],[24] - 電磁發(fā)電機(jī)（EMG）[25]單元實(shí)現(xiàn)了無接觸、高保真的振動(dòng)采集，而雙層混合柔性基底壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）[26,27]單元與差分處理相結(jié)合，確保了精確的變形量化。在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的指導(dǎo)下，流線型外殼和渦流發(fā)生器減少了不同攻角（AoA）下的氣流分離，最終使升力增加了1.75%，阻力降低了0.8%。SMAS的優(yōu)化確保了在不同飛行條件下的氣動(dòng)性能提升、結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和信號(hào)可靠性。我們開發(fā)了一種多尺度物理感知注意力網(wǎng)絡(luò)（MPANet），在振動(dòng)頻率和變形幅度方面的推斷準(zhǔn)確率為98.16%。此外，SMAS具有非侵入式安裝特點(diǎn)，疲勞測試顯示信號(hào)衰減僅為1.30%和0.37%，因此為飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證且可靠的解決方案。
SMAS的傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理
機(jī)翼振動(dòng)和變形源于復(fù)雜的流體-結(jié)構(gòu)相互作用[28]。在飛行過程中，機(jī)翼上下表面之間的壓力差（方程（1）產(chǎn)生升力（方程（2）[29]）和彎矩M（方程（3）[30]），驅(qū)動(dòng)周期性振蕩和結(jié)構(gòu)變形。振動(dòng)頻率通常與氣動(dòng)載荷成正比（方程（4）[31]）。由彎矩引起的應(yīng)變表示為
用于氣動(dòng)優(yōu)化的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬
作為系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化策略的核心組成部分，SMAS的氣動(dòng)配置經(jīng)過調(diào)整，以最小化流動(dòng)引起的干擾，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性。因此，基于NACA0012機(jī)翼進(jìn)行了CFD模擬，以研究SMAS的氣動(dòng)影響。模擬域配置和邊界條件如圖2a和圖所示。模型的弦長為531毫米，自由流
實(shí)驗(yàn)部分
材料和組件：SMAS采用氣動(dòng)優(yōu)化的外殼制造（內(nèi)徑：22毫米，外徑：24毫米，高度：14毫米），使用PLA材料（深圳拓竹科技有限公司）通過3D打印（Bambu Lab P1系列）制成。一個(gè)圓柱形NdFeB永磁體（直徑：20毫米，高度：3毫米，中磁材料有限公司）由四個(gè)對(duì)稱排列的NdFeB磁柱（直徑：2毫米，高度：8毫米）懸掛在外殼內(nèi)。尼龍薄膜
結(jié)論
在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種自供電的多模態(tài)機(jī)翼-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SMAS），該系統(tǒng)具有氣動(dòng)優(yōu)化功能，可用于實(shí)時(shí)、高精度地監(jiān)測機(jī)翼振動(dòng)和變形。該系統(tǒng)在流線型結(jié)構(gòu)中集成了TEP機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高保真的信號(hào)采集，同時(shí)減少了氣流分離和阻力損失，從而提高了氣動(dòng)性能。CFD模擬表明，在弦長的30%處安裝SMAS可以
作者貢獻(xiàn)
Jiaxin Hu：撰寫——原始草稿，調(diào)查，形式分析。
Hengrui Sheng：調(diào)查，數(shù)據(jù)管理。
Rongwei Huang：調(diào)查，可視化。
Yuejuan Li：調(diào)查，形式分析。
Yusong Cui：調(diào)查，數(shù)據(jù)管理。
Xingrui Li：調(diào)查，形式分析。
Ruoting Zhong：調(diào)查，形式分析。
Leo N.Y. Cao：概念化，撰寫——審閱與編輯。
Baodong Chen：調(diào)查，數(shù)據(jù)管理，資金獲取。
Herbert E. Huppert：撰寫——審閱
數(shù)據(jù)可用性聲明
支持本研究發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)可向相應(yīng)作者索取。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Jiaxin Hu：撰寫——原始草稿，調(diào)查，形式分析。
Hengrui Sheng：調(diào)查，數(shù)據(jù)管理。
Rongwei Huang：可視化，調(diào)查。
Yuejuan Li：調(diào)查，形式分析。
Yusong Cui：調(diào)查，數(shù)據(jù)管理。
Xingrui Li：調(diào)查，形式分析。
Ruoting Zhong：調(diào)查，形式分析。
Leo N.Y. Cao：撰寫——審閱與編輯，概念化。
Baodong Chen：調(diào)查，資金獲取，數(shù)據(jù)管理。
Herbert E. Huppert：撰寫——審閱
