航空結構件孔邊裂紋監測技術研究綜述

于翀 宋昊

摘要：孔邊裂紋問題一直是影響鉚接、螺栓連接等結構安全性能與剩余壽命的一大因素，同時對孔邊裂紋的監測也是飛機結構健康監測的重要環節。從最初對孔邊裂紋的無損檢測技術到目前的孔邊裂紋實時監測技術，對含孔結構的研究一直是眾多科研人員的研究重點。本文結合相關文獻對現有孔邊裂紋監測技術進行了總結，從數據計算分析法與傳感器實時監測法兩方面對現有的孔邊裂紋監測技術進行了介紹。最后，根據國內外孔邊裂紋監測技術的研究現狀，從研究方法歸納整理、新型傳感器設計、傳感器封裝、技術融合、健康管理5個方面進行了展望，為今后航空關鍵結構件的孔邊裂紋監測技術研究與發展提供了參考。

關鍵詞：孔邊裂紋；結構健康監測；數據計算分析；傳感器實時監測；健康管理

中圖分類號：V219文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.12.001

基金項目：航空科學基金（20185644003）

由于現代工業科技的快速發展，工程結構的連接方式變得多種多樣。但是鉚接、螺栓連接由于其使用簡單、便于拆卸等優點依然被使用，同時也是航空領域中常用的緊固件，在飛機裝配過程中得到廣泛應用[1-2]。

據統計，在飛機裝配過程中由鉚接、螺栓連接的結構占飛機機身結構的70%以上，螺栓連接或者鉚接結構在起落架、機身蒙皮、飛機發動機等部位隨處可見。然而飛機在飛行過程中所處的環境復雜，受力情況千變萬化，在鉚接、螺栓連接的部分區域會產生嚴重的應力集中現象，導致鉚釘孔或螺栓孔產生孔邊裂紋。同時，飛機在飛行或地面停放過程中，由于濕度大、溫差大甚至酸雨的影響，使飛機的內部結構產生腐蝕，這些腐蝕現象也會導致孔邊裂紋現象的發生[3-8]。

由機體疲勞失效造成的飛機事故中，有近80%的疲勞裂紋產生于結構件鉚釘孔區域，所以及時發現孔邊裂紋的萌生并預測其發展趨勢，對于改善飛機結構性能、減少飛機關鍵部位斷裂故障，以及防止重大空難事故的發生具有重大意義。目前，用于檢測孔邊裂紋的技術有多種，如超聲檢測技術、紅外檢測技術、渦流檢測技術、射線檢測技術、數字圖像檢測技術等[9-17]。但是這些無損檢測技術主要適用于零部件裝配前或裂紋產生后進行檢測，無法實現對孔邊裂紋實時監測。現有用于孔邊裂紋實時監測的技術大致可以分為兩類：一類是采用數學函數、有限元或其他分析方法對某一條件下的孔邊裂紋模型進行計算分析，得到裂紋擴展的相關數據，根據數據的變化情況判斷孔邊裂紋擴展形式以及剩余壽命；另一類是采用傳感器對鉚釘孔或螺栓孔進行實時監測，并將采集到的數據進行處理，以此來判斷孔邊裂紋的擴展情況以及剩余壽命。

1數據計算分析法

數據計算分析法主要指通過數學計算、有限元或邊界元方法對某些情況下的孔邊裂紋進行分析，并通過計算得到能夠表征孔邊裂紋擴展情況以及剩余壽命的相關參數，通過對參數的分析進行對孔邊裂紋萌生、擴展的預測。數據計算分析法具體可分為應力強度因子分析法與粒子濾波分析法。

1.1應力強度因子分析法

應力強度因子反映了裂紋尖端附近應力強弱程度，主要受到孔自身應力集中與裂紋長度的影響。所以根據應力強度因子的變化情況可以判斷出孔邊裂紋的萌生與擴展情況。對于鉚釘孔、螺栓孔簡單的孔邊裂紋擴展過程，可以通過數學分析的方式求出應力強度因子；而對于比較復雜的孔邊裂紋擴展過程，若仍然采用數學分析方法則需要進行大量的數學計算，此時這種方法便不再適用，就需要通過有限元建模仿真或邊界元方法來計算應力強度因子的具體數值。

1.1.1數學分析求應力強度因子

利用數學分析的方式求應力強度因子目前主要是通過復變函數、權函數或積分法對孔邊裂紋模型進行數學變換以構造計算應力強度因子的公式，并利用所得公式對某些情況下的孔邊裂紋進行裂紋擴展分析。

（1）復變函數法求應力強度因子

利用復變函數求解應力強度因子，首先要根據不同的裂紋形式以及邊界條件構造復變應力函數，然后根據此復變應力函數對裂紋尖端的應力應變場進行分析，得到應力強度因子的表達式，以此求得應力強度因子的具體數值。保角映射函數是復變函數理論之一，具有將復雜區域轉化為簡單區域的優勢，是利用復變函數計算孔邊裂紋應力強度因子的有效工具。

Bowie[18]首先利用保角映射函數理論開始了對孔邊裂紋問題的研究，通過對孔邊裂紋模型的轉化得到了應力強度因子；張永元等[19-20]在多孔邊裂紋問題研究中應用了復變應力函數的疊加解法求解應力強度因子，并利用數值算例驗證了此方法的適用性；賴俊彪等[21]采用復變函數方法得到了含孔邊雙側直線裂紋有限大板應力與位移的全場表達式，并應用變分原理求解了應力強度因子與應力集中系數，而傅東山等[22]對上述方法加以改進，只計算了應力強度因子，省去了應力集中系數的計算，達到了同樣的效果，提高了在求解孔邊裂紋應力強度因子的計算效率；趙晉芳等[23]采用復變應力函數、近似迭代法與局部修正因子法求解了無限板共線多裂紋的應力強度因子；郭懷民等[24]構造保角映射對不對稱橢圓孔孔邊裂紋問題進行分析，得到了裂紋尖端的應力強度因子解；Iida等[25]用復應力函數中的相關理論對承受無限遠處均勻橫向載荷的含菱形孔無限大薄板進行了研究，求解了菱形孔在一定轉角和裂紋長度范圍內的應力強度因子。

在采用復變函數法求解應力強度因子時，對于簡單的孔邊裂紋擴展模型只需要確定一個解析函數，對于略微復雜的幾何形狀，通過保角映射也可以求解，大大減少了工作量。但是復變函數法一般用來求解含孔的“無限大”彈性平面的孔邊裂紋問題，然而當求解彈塑性或者三維問題時，構造復變函數變得極其困難，此時復變函數法便不再適用。

（2）權函數法求應力強度因子

權函數在計算應力強度因子時將幾何因素與載荷因素進行了變量分離，通過孔邊載荷的分布就可以對孔邊裂紋進行分析，是一種高效、求解精度可靠的方法，在求解復雜應力場中裂紋強度因子問題被廣泛使用。

吳學仁等[26-28]利用邊緣裂紋權函數封閉解法，得到了各種基本載荷作用下孔邊裂紋的應力強度因子計算公式，并計算出了復雜應力場中圓孔邊穿透裂紋問題的應力強度因子權函數解析解；宋大毅等[29]在研究受均勻內壓作用的偏置孔孔邊裂紋問題時，將權函數與光彈性法相結合，對應力強度因子進行了計算；謝偉等[30]為了研究橢圓孔曲率半徑對應力強度因子的影響，應用組合法的思想構造了橢圓孔邊裂紋的權函數并給出了孔邊三維角裂紋應力強度因子的求解方法；李政鴻等[31-33]從單一孔邊裂紋和無限板中心裂紋權函數出發，提出了分析單孔孔邊兩條不等長裂紋的近似權函數法，并對孔邊兩條不等長裂紋在不同載荷下的應力強度因子進行了分析。同時，對于等效夾雜理論和相變增韌原理，李政鴻等還提出了對單孔兩條不等長裂紋的應力強度因子修正，以獲得多孔中單一孔出現兩條裂紋的應力強度因子的分析方法，為孔邊裂紋的應力強度因子分析提供了新方法；童第華等[34]提出了一種具有精確閉合解的權函數方法來計算無限大板和有限寬板中孔邊萌生裂紋的裂紋面位移，驗證了權函數方法在孔邊裂紋擴展預測中的實用性。

權函數法求解應力強度因子雖然普適性大，求解效率高，在某些問題的求解甚至優于有限元、邊界元等建模分析法，但是由于其依然為數學方法，在求解復雜問題時，巨大的計算量依然是其應用的一大阻礙。所以權函數法在求解二維問題時確實是有效的方法，但是面對三維問題時權函數法則需要考慮更多因素，變得更加復雜，限制了權函數法在求解三維問題的應用。

（3）積分法求應力強度因子

利用積分對應力強度因子求解的方法多種多樣，可利用復變函數法或權函數法得到的部分解析式進行積分得到對應力強度因子的解，也可以通過各種積分變換公式對方程進行處理得到應力強度因子的解。

Tweed等[35]采用梅林變換對不同載荷下的孔邊裂紋進行研究，計算了不同情況下的裂紋尖端的應力強度因子；郭萬林等[36]根據功共軛積分原理對含中心孔的平板在多種載荷同時作用時的孔邊裂紋進行了研究，并采用自選步長辛普森數值積分法計算出了應力強度因子；同時，郭萬林等[37]還對孔邊穿透裂紋應力強度因子、孔邊角裂紋應力強度因子進行了計算，并分析了影響計算準確度的相關因素；李新平等[38]將無限彈性體內孔邊線狀裂紋的相關條件利用疊加原理和梅林變換進行了轉化，并以弗雷德霍姆積分方程的解表示孔邊裂紋擴展動態應力強度因子；郭俊宏等[39]在研究無限大板中橢圓孔邊單裂紋受沖擊載荷作用下的動態問題時利用柯西積分公式求解了在拉伸與剪切載荷下的應力強度因子的解。

利用積分法求應力強度因子雖然在一定程度上彌補了復變函數法或權函數法的某些不足，而且各種方法綜合使用對計算精確度有一定提高，但是積分法是基于復變函數法或權函數法的部分計算結果進行積分變換，對于比較復雜的問題若無法應用復變函數法或權函數法，則積分法的使用便受到了限制。

1.1.2有限元建模計算應力強度因子

利用有限元建模計算應力強度因子主要是通過有限元建模軟件建立孔邊裂紋模型，并對裂紋萌生擴展過程進行仿真，結合其他分析方法得出應力強度因子的變化趨勢。通過應力強度因子的變化趨勢來判斷孔邊裂紋的擴展情況以及預測裂紋擴展趨勢。目前，位移外推法和積分法是在完成有限元建模后計算應力強度因子的主要方法，同時還有部分學者利用其他方法實現了對應力強度因子的計算。

（1）位移外推法計算應力強度因子

位移外推法是求解應力強度因子的一種常用方法，此方法操作方便，計算簡單。在完成對孔邊裂紋模型的有限元建模后，由線彈性斷裂力學理論可以得到裂紋尖端位移場的表達式，再通過外推法就可以得到裂紋應力強度因子。

Santhanam等[40]、Gong等[41]研究了含中心孔或偏心孔的有限窄板/帶在遠場均勻彎矩作用下的孔邊裂紋問題，結合孔的幾何形狀、應力梯度以及位移外推法計算出了孔邊裂紋的應力強度因子；沈海軍等[42]對無裂紋及孔邊含裂紋的锪窩孔結構進行有限單元模型分析，將二維裂紋位移表達式應用于三維裂紋中，得到了90°、120°锪窩孔邊扇形角裂紋的應力強度因子，以及裂紋長度與應力強度因子之間的關系；王立清[43]采用有限元分析軟件對4種孔邊裂紋問題進行了研究，結合罰函數法與裂紋位移得到了不同情況下的應力強度因子；江勇[44]通過有限元軟件的接觸算法模擬了銷釘和耳片之間的作用，通過1/4節點位移外推法得到了耳片裂紋尖端應力強度因子；王艾倫[45]以沉頭鉚釘過盈裝配孔邊角裂紋為研究對象，利用有限元分析軟件建立了線彈性情況下開孔板與鉚釘的干涉擠壓模型，同樣采用1/4節點位移外推法計算锪窩圓孔邊扇形角裂紋的應力強度因子；龔德志等[46]建立了單個锪窩孔雙邊對稱角裂紋有限元模型，通過裂紋裂尖位移表達式推出了裂紋前緣應力強度因子表達式，并實現了有限元模型的自動更新與裂紋擴展全過程的自動分析；王海等[47]對龔德志等提出的方法進行了改進，實現了锪窩孔多裂紋監測。

位移外推法不對裂紋尖端的應力強度因子進行直接求解，而是通過裂紋線上其他節點的位移推導出裂紋尖端的應力強度因子。此方法計算簡單，對有限元模型的節點信息進行了充分的利用，節約資源。但是使用位移外推法求解裂紋尖端的應力強度因子時，有限元模型的網格尺寸對求解精度影響很大。同時，位移外推法的使用情況也有限制，此方法一般適用靜態線彈性情況下的應力強度因子求解。

（2）積分法計算應力強度因子

結構承受過大的載荷會逐漸斷裂，裂紋附近會存在應力場、應變場以及位移場，在這些力學場的基礎上增加一個虛擬的輔助場并進行疊加得到復合場，利用復合場就可以求出能夠反映場強的J積分。在有限元中的積分法求解應力強度因子多采用J積分法，以及由J積分法演變而來的相互作用積分法、M積分法等。

Stern等[48]首先提出了有限元分析中的交互積分法，對于二維復合型的應力強度因子可從能量角度求解；Dolbow等[49]將交互積分法進一步擴展，實現了對三維裂紋應力強度因子的求解；郁大照等[50]利用有限元分析軟件中的J積分法對含多處損傷的某型飛機增壓艙蒙皮搭接接頭進行了應力強度因子求解；張文東等[51]對多孔等長裂紋、多孔主裂紋等5種開裂模式采用J積分法分別求解裂紋應力強度因子；云雙等[52]對機身蒙皮天線通過孔的孔邊裂紋建立了修理結構的有限元模型，同樣采用J積分法求解了應力強度因子；孫曉娜等[53]通過有限元軟件中的相互作用積分法求解應力強度因子，對有孔邊倒角與無孔邊倒角兩種情況下的應力強度因子進行了有限元分析；李巖等[54]采用相互作用積分法結合有限元軟件對孔邊單側裂紋承受拉力情況時的應力強度因子進行計算，并根據應力強度因子的最大值找到了裂紋最先擴展與破裂的位置；吳慶濤等[55]針對不同角度的初始孔邊裂紋擴展問題，將有限元建模軟件與斷裂力學分析軟件聯合仿真，通過M積分法得到了三維模型中所有節點的應力強度因子；鄒君等[56]對含有不同裂紋長度、鉚釘類型、損傷模式的搭接結構進行了研究，通過有限元建模以及交互積分法得到了不同情況下的應力強度因子。

由于很多積分法是基于J積分法演變而來的，所以這些方法具有很多與J積分法相同的性質。J積分不僅適用線彈性斷裂分析，也適用彈塑性斷裂分析，應用廣泛。由于J積分與積分路徑無關，當對裂紋尖端過于復雜的應力應變場進行分析時，可以選擇其他路徑進行分析，大大降低了求解難度。而且通過有限元積分法得到的應力強度因子與解析解的誤差最小，精度最高。但是在進行有限元積分法求解時需要加入虛擬輔助場，增加了計算量。同時，也正因為J積分與積分路徑無關，所以如何選擇合適的積分路徑也是一個難點，這是有限元積分法的優點也是其缺陷所在。

（3）其他方法計算應力強度因子

除了上述內容介紹的有限元位移外推法、有限元積分法求解應力強度因子以外，還有很多學者提出了很多新的求解方法或者將幾種方法綜合使用，均達到了很好的求解效果。例如，孫益軍[57]將有限元、彈塑性斷裂力學以及疲勞斷裂理論綜合使用，對4種典型多部位損傷形式的應力強度因子進行了分析與計算；Zhao等[58]利用有限元分析軟件對含中心裂紋、單孔邊裂紋和兩個對稱孔邊裂紋的無限大板試樣進行了分析，分別采用位移相關法、J積分法、虛擬裂紋閉合積分法對應力強度因子進行了計算；張禹[59]在組合法的乘法式的基礎上，擬合了幾何修正系數方程來求解多裂紋結構的應力強度因子。

1.1.3邊界元法計算應力強度因子

邊界元法是與有限元法類似的另一種數值分析法，其控制方程為邊界積分方程。對于某些三維孔邊裂紋擴展問題，雖然可以采用有限元法求解，但是在劃分網格、準備數據方面存在一定困難，而且需要花費大量的時間。由于邊界元法具有降維的優勢，可將三維問題轉化為二維問題，大大減少了工作量。除此以外，邊界元法是一種半解析半數值的方法，計算精度較高。

Newman[60-61]較早地利用邊界元法對不同載荷情況下的無限寬板進行分析，得到了孔邊兩條等長裂紋的應力強度因子；鞏建鳴等[62]研究了彎曲載荷作用下平板中孔單邊角裂紋問題，采用邊界元法得到了孔單邊角裂紋的應力強度因子，并通過試驗研究了在交變的彎矩作用下孔單邊角裂紋的變化、擴展規律；雷鈞等[63]采用時域邊界元法，以矩形板中孔邊裂紋的動態擴展問題為算例進行了裂紋快速擴展過程的數值模擬，并計算了應力強度因子。

雖然邊界元法在降低維數、計算精度等方面優于有限元法，但是其由于自身局限性無法對非均勻介質問題進行求解，應用范圍受到限制。對于一般非線性問題，邊界元法的方程中產生的域內積分項，也會對邊界元法求解應力強度因子的精確度造成影響。

1.2粒子濾波分析法

粒子濾波技術在非線性、非高斯系統中應用廣泛。由于粒子濾波器具有多模態處理能力，所以在數據預測、跟蹤、監控、定位中具有很大的優勢。

Chen等[64]基于蘭姆波粒子濾波器提出了一種疲勞裂紋擴展在線預測方法，通過主動蘭姆波法對裂紋進行監測，采用有限元法建立了狀態空間模型，實現了對孔邊裂紋長度的評估；袁慎芳等[65]針對動態裂紋擴展問題，提出了一種基于動態裂紋數目的粒子濾波多裂紋擴展預測方法，當有新的裂紋萌生時，多裂紋擴展狀態方程中相關參數進行更新，并根據裂紋擴展規律更新粒子集，實現了對結構中多裂紋的在線監測與預測；楊偉博等[66-67]提出了基于輔助粒子濾波的裂紋擴展壽命預測方法，通過PAIRS規則與壓電主動LAMB波監測法分別建立狀態方程與觀測方程并構建模型，克服了上述方法過于依賴模型精確性的缺點，緩解了孔邊裂紋監測多樣性匱乏的現象。

基于粒子濾波的分析方法雖然在一定程度上解決了模型需要不斷更新的問題，但是粒子濾波技術依然存在兩個缺陷：一是隨機樣本過大時，容易導致計算量過大；二是隨著計算、分析時間的延長，會產生粒子退化現象，降低效率。

2傳感器實時監測

在孔邊裂紋監測的眾多方法中，除上述數據計算分析法以外，通過各種傳感器對螺栓孔、鉚接孔等部位的相關物理量進行監測、分析孔邊損傷狀況的方法也受到了廣泛的研究。當螺栓孔或鉚接孔發生孔邊裂紋時，孔的內部結構會發生變化，導致孔周圍的應力、應變隨之發生變化。所以，通過監測孔邊應力、應變的變化并加以分析就可以得到孔邊裂紋的萌生以及擴展情況。在孔邊裂紋無損檢測技術中多采用射線、熱輻射、數字圖像等傳感器進行孔邊裂紋萌生、擴展的檢測，而光纖傳感器、聲發射傳感器、智能涂層傳感器、薄膜傳感器、應變片傳感器以及渦流傳感器實現了對孔邊裂紋的實時監測。

2.1光纖傳感器

光纖傳感器是一種新型傳感器，光纖通信技術的不斷發展促進了光纖傳感器的產生。光纖傳感器具有質量輕、體積小、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等[68]電類傳感器所不具有優點，在飛機結構健康監測、大型土木建筑健康監測等領域應用廣泛。在光纖傳感系統中，寬帶光源發出具有一定寬度的光，并通過光纖耦合器入射到光纖光柵中。入射光在光纖中傳播受到光柵的波長選擇性作用，符合條件的光會被反射回來。反射光再次經過光纖耦合器進入光纖解調儀中。當外界物理量發生變化時，會致使反射光的中心波長發生變化，光纖解調儀對反射光進行解調，就可以得到外界物理量的變化情況，光纖傳感原理如圖1所示。

Okabe等[69-70]在碳纖維增強復合材料層合板內部嵌入光纖布拉格光柵傳感器，通過對測量光譜形狀變化情況的分析以及數值模擬結果的對比，對含孔的碳纖維增強復合材料層合板孔邊裂紋與分層損傷進行了監測；Shu等[71]在研究含螺栓接頭的復合材料結構損傷時，將光纖沿螺栓孔嵌入結構內部，當螺栓孔出現孔邊裂紋時會引起光纖應變的變化，從而實現監測；He等[72]基于高階擴展有限元法與傳輸矩陣分析法等技術，提出了一種利用光纖布拉格光柵傳感器進行概率裂紋尺寸量化的新框架，可根據光纖布拉格光柵傳感器的反射強度譜對裂紋擴展情況進行監測并預測裂紋擴展趨勢；張翰等[73]提出了一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，利用有限元仿真軟件ANSYS對預制孔以及預制孔邊裂紋根據確定的試驗條件進行有限元仿真分析，得到裂紋擴展到給定長度時應力在裂紋尖端附件區域的分布情況，并根據應力分布情況橫向布置傳感器感知裂紋尖端橫向應力梯度的變化并反推光纖光柵傳感器反射光譜的圖像規律，通過試驗加以驗證后，得到反射譜次峰峰位置與裂紋擴展長度的關系，從而對孔邊裂紋進行監測；張衛方等[74-75]對上述方案進行了改進，在縱向與橫向均布置光纖光柵傳感器以感知裂紋尖端的縱向和橫向非均勻應變的變化，并對光纖光柵反射光譜圖像進行了軸向應力仿真，得出了軸向應力三次方對光纖光柵影響最大，從而建立了光纖光柵反射光譜圖像與裂紋擴展之間的關系，達到了孔邊裂紋監測的目的。

以上學者所提出的光纖傳感孔邊裂紋監測方法，多依靠光譜圖像信息對孔邊裂紋進行監測。通過對光譜圖像的分析判斷裂紋擴展情況雖然形象直觀，但是依然存在一些不足。首先，通過圖像判斷就意味著必須有圖像顯示設備，增加了系統的體積與質量，對于某些特殊場景就無法適用。其次，當遇到兩種或多種不同的裂紋擴展引起相同的圖像變化的情況時，裂紋監測就無法保證準確性，而且光譜圖像的變化規律由反推獲得，除系統誤差外又引入了其他隨機誤差，這在一定程度上降低了孔邊裂紋監測的精確度。

2.2聲發射傳感器

當結構產生裂紋萌生或擴展時，結構內部材料的應力和應變會發生變化而產生應變能。應變能在材料內部以波的形式傳播時形成聲發射信號，這些信號中包含了結構的損傷情況。聲發射技術就是利用聲發射傳感系統中的換能器對來自被測結構內部的聲發射信號進行收集，通過對聲發射信號的特征參數的分析就可以對結構損傷進行判斷。聲發射傳感器可以在一般傳感器無法布置的部位進行監測，所以廣泛應用于可達性較差的關鍵部位損傷監測中，聲發射監測技術示意圖如圖2所示。

耿榮生等[76-77]在對飛機主梁裂紋進行監測時采用多參數識別與聲發射技術對螺栓孔的孔邊裂紋進行監測，耿榮生等[78-79]以此為基礎，利用時間濾波、空間濾波、趨勢分析等技術完成了對機翼連接區銷釘孔孔邊裂紋的監測；馮劍飛等[80-81]又對上述方法加以改進，加入了波形分析技術，實現了對螺栓孔孔邊裂紋萌生的預報；劉文斌等[82]在耿榮生等所提出方法的基礎上，用損傷區域內的事件數占總事件數的變化趨勢分析孔邊裂紋擴展情況，克服了傳統空間濾波技術的不足；Hoang等[83]利用聲發射技術與數字圖像相關技術對含孔的鋁合金薄板在承受拉伸載荷情況下的損傷機制進行了研究，聲發射技術監測結構聲學活動變化，數字圖像相關技術監測結構應變場的變化，實現了對孔邊裂紋的定位與識別；申雅峰等[84]在對含孔板進行孔邊裂紋監測時，通過對三個階段聲發射信號的分析，實現了對裂紋萌生的預警以及擴展趨勢的預測；王丹等[85]利用聲發射信號特征參數與趨勢分析法、關聯分析法對鋁合金板排釘的孔邊裂紋進行監測，鑒別出了裂紋萌生與擴展的不同階段；韓暉等[86]對聲發射孔邊裂紋監測試驗進行了貝葉斯理論分析，對裂紋檢測概率等參數進行了計算，為聲發射監測技術的優化提供了支持；Bhuiyan等[87]將聲發射監測技術與三維諧波有限元分析相結合對局部裂紋共振現象進行了研究，實現了飛機鋁合金板孔邊裂紋的監測；Bhuiyan等[88]又將聲發射傳感器與壓電晶片有源傳感器分別安裝于含孔薄板的上下兩側，通過對聲發射波形的分析，實現了孔邊裂紋的監測；祁小鳳等[89]針對隨機載荷譜下耳片接頭疲勞裂紋問題，采用定位分析與干擾排除分析對裂紋萌生與擴展情況進行了監測；黃華斌等[90]對飛機鉚接壁板進行了監測，采用聲發射參數濾波以及空間濾波、組合濾波等技術實現了強噪聲環境下的孔邊裂紋監測，為飛機壁板的疲勞損傷容限設計提供了便利。

聲發射傳感器既可以對金屬結構進行監測又可以對復合材料等非金屬結構進行監測，且監測覆蓋面積廣，不受被測結構幾何形狀的影響，可以在惡劣環境下進行監測。但是聲發射監測技術容易受到噪聲的干擾，在孔邊裂紋監測中還會存在一些與裂紋無關的聲發射信號，如配合件之間的摩擦等信號。雖然在上述學者的研究中，有部分方法實現了在噪聲環境下對孔邊裂紋的監測，但是大量的濾波技術不僅增加了工作量而且容易引入對孔邊裂紋的誤判所以如何在聲發射監測技術中將噪聲與無關信號剔除還需要進行深入研究。

2.3智能涂層傳感器

智能涂層傳感器是一種可以黏附于待測結構關鍵部位表面的傳感器。當被測結構表面出現裂紋時，智能涂層傳感器中的損傷傳感層會出現相應的裂紋，并隨結構裂紋的擴展而擴展，引起損傷部位電位或電阻發生變化，通過對電位或電阻變化情況的分析就可以得到被測結構的損傷信息，智能涂層監測技術示意圖如圖3所示。

呂志剛等[91-92]發明了一種具有隨附損傷特性的智能涂層，在使用時涂覆于鉚釘孔或螺栓孔的孔邊，其敏感末梢就可以反映孔邊裂紋的萌生與擴展情況；杜金強等[93]對螺栓孔進行分析，結合電位法提出了一種涂覆于螺栓孔孔邊的傳感器，通過各監測點電位差的變化實現了對螺栓孔孔邊裂紋的監測；Liu等[94]設計了一種可用于不同材料孔邊裂紋監測的新型智能涂層傳感器，實現了300μm以上裂紋的監測；侯波等[95]提出了一種表面涂層傳感器克服了電位法的一些不足，實現了對多個關鍵位置的同時監測，但是承載能力與耐磨性仍需改進；白生寶等[96]對安裝了智能涂層的含孔邊裂紋的試件進行了疲勞試驗，對智能涂層傳感器監測孔邊裂紋的適用性進行了驗證；孫洋等[97]建立了智能涂層模型，研究了基體裂紋到達涂層界面后的穿越與偏轉行為，對基體裂紋在界面的擴展行為進行了分析，為智能涂層傳感器的優化設計奠定了基礎；孫劍等[98]在對飛機短艙與吊掛的關鍵部位進行結構狀態監測時，利用智能涂層對吊掛連桿試驗件的連接孔的孔邊裂紋進行了監測，完成了監測系統的軟硬件集成化設計。

智能涂層傳感器對電位、電阻信號等電信號的變化進行監測，所需要的信號處理算法比較簡單可靠，功耗小。涂覆于結構表面的智能涂層可以實現全方位的孔邊裂紋監測，不會受到方向的制約。而且目前的智能涂層傳感器有很多采用防腐涂料制成，提高了傳感器的使用壽命。智能涂層傳感器的缺陷在于智能涂層的脆性較大，將其應用于復雜結構的健康監測時可能會由于某些因素的影響產生誤報問題。而且智能涂層傳感器涂覆于結構表面，還會存在脫落問題。

2.4薄膜傳感器

薄膜傳感器與智能涂層傳感器工作原理類似，當待測結構表面出現裂紋時，薄膜傳感器的電阻層會出現相應的裂紋，并隨結構表面裂紋同步擴展，引起損傷部位電位、電阻發生變化，通過對電量變化的監測與分析實現對裂紋的監測。薄膜傳感器與智能涂層傳感器的不同之處在于薄膜傳感器一般設計為環狀或半圓形更加適合對螺栓孔、鉚釘孔等難以接近部位的高精度損傷監測，相比于智能涂層傳感器具有監測對象單一性的特點，薄膜傳感器外觀如圖4所示。

侯波等[99-100]利用Ti/TiN薄膜傳感器對飛機金屬結構在服役中的裂紋進行實時監測，通過將Ti/TiN薄膜傳感器與電位監測法相結合，實現了對鋁合金板試件孔邊裂紋的實時監測，侯波等[101]對Ti/TiN薄膜傳感器進行了改進，設計了一種同心環狀薄膜傳感器，實現了對半圓孔孔邊裂紋、任意角度孔邊裂紋的實時監測，并且可以對孔邊裂紋區域進行細分，得到裂紋損傷的徑向尺寸；譚翔飛等[102]針對腐蝕環境下的孔邊裂紋監測問題設計了一種銅薄膜傳感器，監測精度達到了1mm；崔榮洪等[103]考慮了耦合服役環境下的孔邊裂紋監測問題，經過大量試驗，設計了一種穩定性與耐久性均較高的薄膜傳感器，并將監測結果與顯微鏡結果進行了對比，二者信息基本一致；對于強化結構的孔邊裂紋監測問題，劉凱等[104-105]對經過噴丸強化、孔擠壓強化、激光沖擊強化的結構分別進行了試驗驗證，得出薄膜傳感器具有在高應力環境下對孔邊裂紋進行監測的潛力。

薄膜傳感器對金屬結構自身的力學性能幾乎不會有影響，具有較高的可靠性，適用于復雜環境下的裂紋監測。薄膜傳感器的輸出信號特征明顯，不需要繁瑣的信號處理過程。薄膜傳感器中導電傳感層的材料選擇還需要進一步深入研究，導電傳感層直接影響了薄膜傳感器的隨附損傷特性。薄膜傳感器雖然具有很多傳感器不具有的優勢，但是薄膜傳感器的制備要比其他傳感器更加復雜，需要在結構表面制備薄膜，所以薄膜傳感器只能在零部件裝配前或操作空間較大的結構表面制備，對于某些已完成裝配的空間狹小的部位監測則無能為力。

2.5應變片傳感器

電阻應變片是最早用于結構健康監測的應變傳感器，由于其安裝簡單的優勢在土木、船舶、航空、航天等結構的健康監測中隨處可見。電阻應變片的工作原理是金屬的應變效應，即當被測結構發生損傷時，引起結構變形，粘貼結構表面的電阻應變片內的電阻絲阻值發生變化，通過對電阻阻值變化與應變的關系分析就可以得到結構的應變信息，應變片監測技術示意圖如圖5所示。

蓋秉政等[106]在進行帶孔板的沖擊試驗時利用電阻應變花進行了孔邊裂紋的應變監測，并根據測得數據計算出了裂紋尖端的應力強度因子；安剛等[107]在對某型飛機進行全機疲勞試驗時，提出了一種全機疲勞裂紋的應變片監測方法，通過應變片的監測數據可以提前發現裂紋；張永芳等[108]在進行機翼腹板疲勞試驗時，采用應變花對高鎖螺栓附近的裂紋進行了監測，并分析了裂紋產生的原因；劉洋[109]采用電阻應變片對處于腐蝕環境與交變載荷作用下的翼梁根部連接區孔邊裂紋進行監測，得到了裂紋的擴展時間與形式等數據；王曉陽等[110]針對螺栓孔的孔邊裂紋提出了一種應變差值監測法，以螺母或者螺栓頭的圓心點為軸心在其周圍均勻布置N個應變監測點，且兩兩對稱設置。測量并記錄應變監測點的應變數據，并將任意兩兩對稱的應變監測點的應變數據差值與預定差值進行比較，當實際差值大于預定差值時判定有裂紋產生。

電阻應變片傳感器安裝方便，信號處理方式簡單，測量范圍比較廣，而且通過對電路的簡易設計就可以實現溫度補償，目前技術已經比較成熟。但是由于現在的大型機械結構越來越復雜，工作環境也各有不同，在一些強電磁干擾、高溫、腐蝕等環境中，電阻應變片傳感器極易受到干擾或損壞。同時，電阻應變片相對于其他種類的傳感器體積略大，對于某些機械結構中可達性較差的部位無法進行監測，對于微小裂紋電阻應變片傳感器也無法完成實時監測，這些缺陷都限制了電阻應變片在未來結構健康監測中的發展。

2.6渦流傳感器

渦流傳感器原本適用于結構損傷無損檢測技術，通常設備較大，可完成零部件結構裝配前或損傷發生后的檢測。部分學者對渦流傳感器進行了改進，開始將渦流傳感器用于結構損傷監測。渦流傳感器中的激勵電流在被測空間產生激勵磁場，通過渦流效應在金屬結構的監測部位產生電渦流，從而產生感應磁場。當被測結構出現裂紋時，感應磁場會發生變化。通過分析磁場變化進而得到裂紋擴展的狀況，渦流監測技術示意圖如圖6所示。

Zilberstein等[111]設計了一種稱為彎曲繞組磁強計陣列的表面貼裝渦流傳感器，并通過拉伸疲勞試驗，驗證了其在“短裂紋”監測方面的實用性；Rakow等[112]利用渦流傳感器膜研制了一種具有結構健康監測功能的螺栓，可實時監測金屬結構螺栓孔邊的疲勞裂紋；焦勝博等[113]設計了一種渦流陣列傳感器，提出了針對孔邊裂紋的監測方案，通過有限元仿真驗證了監測方案的可行性，對傳感器的定量監測能力進行了試驗驗證；丁華等[114]為完成螺栓孔孔邊裂紋定量監測，設計了一種花萼狀渦流陣列傳感器，并進行了參數優化，監測精度達到了1mm；李培源等[115]設計了一種對不同材料具有不同最優監測頻率的柔性渦流傳感器，并對三種材料進行了試驗，完成了對孔邊裂紋的監測；樊祥洪等[116]設計了一種基于隧道磁阻傳感器的柔性渦流傳感器，不僅可以監測孔邊表面裂紋，而且在施加激勵頻率的效果下還可以實現對2mm深裂紋的監測。

渦流傳感器監測技術能夠實現對被測結構的非接觸監測，具有高分辨率與可靠性。渦流傳感器可以穿透結構表面對結構內部損傷進行監測，不受油水等介質的影響。但是渦流傳感器一般適用金屬結構的監測，對于復合材料等無法產生感應磁場的材料并不適用，且渦流傳感器容易受到電磁干擾，在對飛機、大型工業機械等進行損傷監測時要著重考慮干擾屏蔽措施，其應用受到了限制。由于技術暫不成熟，渦流傳感器受溫度影響很大，在溫度超過70℃時傳感器靈敏度就會降低甚至導致傳感器損壞。

2.7多種傳感器綜合監測

多種傳感器綜合監測主要指利用兩種或多種傳感器對含孔結構的孔邊裂紋進行監測，幾種傳感器優勢互補，在不互相干擾的前提下實現對孔邊裂紋的全面監測。張衛方等[117]將光纖應變花與智能涂層相結合進行孔邊裂紋的監測，既可以測量多個方向的應力應變，又克服了智能涂層的高虛警率問題；孫磊[118]在進行復合材料孔邊裂紋監測試驗時，利用光纖傳感器與壓電傳感器收集損傷信息，并結合卡爾曼濾波融合方法進行信息融合，不僅降低了誤報發生，而且提高了定位精度。多種傳感器綜合監測是未來結構健康監測的發展重點，過去的文獻多集中一種傳感器的使用，雖然所使用的傳感器體積越來越小，質量越來越輕，監測精度也在不斷提高，但是依然存在很多缺陷。多種傳感器綜合使用雖然克服了許多傳感器單獨使用的不足，但是傳感器種類過多必定會增大數據處理的工作量以及系統體積。所以多種傳感器的集成化與小型化值得大力探索。表1對上述現有傳感器監測技術的優缺點進行了簡單總結。

從表1可以看出，應變片等技術較為成熟傳統傳感器在航空結構件孔邊裂紋監測中的應用受到了很大的限制。而各種新型傳感器，尤其是光纖傳感器、智能涂層傳感器、薄膜傳感器由于自身優勢在孔邊裂紋監測方面具有很大的發展前景，但仍需加大研究力度，充分發揮其優勢，彌補不足。

3結論及展望

從20世紀50年代起，Bowie等就開始了對孔邊裂紋的研究，并從最初的數學方法逐步發展到了如今的各種先進傳感器監測方法。綜合國內外對孔邊裂紋監測技術的研究現狀，認為孔邊裂紋監測技術有以下幾點值得繼續深入研究：

（1）對于數據計算分析求應力強度因子、粒子濾波等方法，現有研究中的研究對象有橢圓孔、三角孔、無限大板等，所采用的計算、仿真方法也各有異同。因此，對于研究對象與研究方法的歸納整理以及規律總結是一項重要的工作。

（2）傳感器監測法與數據計算分析法相比，目前的研究并不多。而且大多數采用了聲發射傳感器、電阻應變片傳感器等較為成熟的傳感器，而對于新型傳感器，如光纖傳感器、生物傳感器等的應用較少。所以將新型傳感器應用到孔邊裂紋監測中是發展方向之一。

（3）航空、航天領域中的螺栓孔、鉚接孔所處的環境復雜多變，對于某些特殊的場景需要特殊的傳感器封裝以及分析方法，所以根據不同的應用場景設計不同的傳感器封裝也值得深入研究。

（4）光纖傳感器、智能涂層傳感器、薄膜傳感器等新型傳感器的應用將會成為未來孔邊裂紋監測技術的研究重點。若能將兩種甚至多種先進傳感技術與數據分析計算方法相融合，不僅可以提高對孔邊裂紋監測的精確性，而且可以降低在監測過程中的虛警率。

（5）基于多傳感器融合的同時，融合現有的數值計算分析法和大數據分析將是結構件孔邊裂紋監測的新趨勢。監測手段也將逐漸由離線監測發展為在線監測。未來，航空含孔關鍵結構的健康監測系統將會作為飛機故障診斷與健康管理系統的子系統，實現關鍵結構全生命周期的監測，在保障飛機飛行安全中發揮作用。

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