几种典型结构的空间碎片在轨感知声发射源定位技术研究

发布时间：2018-12-16 22:22

【摘要】：空间碎片环境日益恶化，严重威胁着航天器尤其是载人航天器的在轨运行安全。为了实时监测空间碎片撞击航天器事件，人们提出了多种在轨感知技术方案。其中，采用声发射技术对撞击事件进行撞击源定位，逐渐受到人们的重视。平板、加筋板及焊接板等为载人航天器中常用的承力结构，因此，如何通过布置较少的传感器，实现对较大范围内多种结构进行声发射源定位，便成为了一个热点和难点问题。目前，对于铝合金平板，国内外在其受空间碎片撞击的声发射源定位进行了较多的研究，并且能够在小尺度条件下比较准确的确定撞击源位置，但由于实验设备尺寸的限制，尚未进行大尺度条件下超高速撞击声发射源定位试验。对于加筋板及焊接板，由于筋体及焊缝的存在，声发射信号通过筋体及焊缝时会发生反射、透射等现象，声发射信号传播规律会发生较大变化。因此，需要定量分析筋体及焊缝对声发射信号在结构中传播规律的影响，并获取声发射源定位有效距离。在此背景下，本文主要针对平板、加筋板及焊接板等载人航天器中常用的典型结构，利用数值模拟技术分别获取其受空间碎片产生的声发射信号，并分析了声发射信号在其中的传播规律，最终得到了声发射源定位有效距离。在本文的工况范围内，主要得到以下结论：首先，较为详细的分析了声发射信号在平板中的传播规律，在此基础上，分别建立了表征S0模态第一峰值远场和近场的衰减规律的数学模型。本文研究结果表明，可以将S0模态第一峰值衰减规律分为远场和近场两种情况，根据线性声学理论，采用指数模型对远场衰减进行了曲线拟合，发现了衰减指数与传播距离成近反比关系，因此，引入了等效衰减指数概念，得到了其与传播距离的关系，并改进了原模型，发现用该模型表征远场衰减规律具有较高的匹配度和良好的预测性。对于近场衰减，本文提出了能量波阵面概念，认为能量以波阵面形式传播，对于各向同性材料，假设能量均匀分布在波阵面上，忽略能量传递损失，得到了近场衰减数学模型。第二，研究了筋体对声发射信号在加筋板中传播特性的影响，提出了S0模态第一峰值通过筋体后衰减程度的表征方式，并获得了筋体特征参数与S0模态第一峰值衰减程度的定量关系。S0模态第一峰值通过筋体后与相同工况条件下平板中同一位置相比会出现衰减，为了表征这种衰减程度，本文提出了过筋衰减系数概念，即同一位置加筋板中S0模态第一峰值与平板之比，并选取不同位置所获得的衰减系数作为衰减程度的表征参数。相对于筋体参数中的筋宽和数量，筋高、位置及间距对衰减程度影响较小。因此，可以认为筋体对衰减程度影响主要取决于筋宽和筋体数量。随着筋宽的增加衰减程度逐渐增大，但二者不成线性关系；对于同一种材料及相同结构尺寸的筋体，随着数量的增加衰减程度逐渐增大，但二者并不满足线性关系；同时，相同宽度和高度的两根筋体对衰减程度影响小于相同高度的、宽度为两根筋体之和的一根筋体的影响。第三，重点研究了焊缝材料对声发射信号在焊接板中传播规律的影响，并最终获得了由到达时刻、波速及S0模态第一峰值决定的加筋板声发射源定位有效距离确定方法。本文研究结果表明，相对于筋体，焊缝对板波模态及模态特征参数在结构中变化规律的影响都较小，同时，由于航天器常用结构中焊缝数量一般远少于筋体数量，所以，可以忽略焊缝对声发射源定位有效距离的影响，因此，，声发射源定位有效距离主要取决于筋体数量，随着筋体数量的增加，有效定位距离减小。本文的研究成果进一步为空间碎片在轨感知系统声发射传感器的布局奠定了技术基础，具有一定的理论意义和工程应用价值。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V528

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