空间碎片在轨感知系统中FRP层合板声发射定位技术研究

论文摘要

随着人类空间活动的增多,空间碎片环境日益恶化,空间碎片对航天器的在轨安全运行构成了严重的威胁。为了对空间碎片撞击航天器事件进行实时监测,人们提出了空间碎片在轨感知系统这一概念,并利用声发射技术对撞击源进行定位与损伤识别。目前,碳纤维增强环氧层合板材料在航天器上得到了广泛应用,对声发射源定位技术提出了进一步的要求。作为声发射技术的基本功能,声发射源定位技术已经得到了广泛的重视和研究。但是目前比较成熟的技术主要针对各向同性材料,而针对复合材料层合板的研究还较少。本文开发了复合材料层合板声发射源定位技术并设计了定位实验平台,利用实验手段进行了层合板声发射源定位技术的研究。通过引入HHT变换方法分析声发射信号,提高了模态分析的时间辨析精度、避免了小波分析常有的虚假平滑现象。铝合金板声发射源线定位实验表明,与使用小波变换相比,使用HHT变换的线定位算法更稳定,定位精度也更高。线定位精度的提高对提高双时标法的定位精度有重要意义。本文首先研究了各向同性材料的声发射源定位技术,提出了基于数值解法的等波阵面法,并改进了双时标法,给出了它的数值形式的解。进行了铝合金板声发射源定为实验,实验结果表明两种算法都具有良好的稳定性和定位精度。在研究了层合板波速变化的规律后,将波速与传播方向的关系引入定位方程,得到了适用于层合板定位的算法。分别在单向铺设层合板与正交铺设层合板上进行了定位实验,结果表明:等波阵面法可有效应用于层合板定位问题。当材料波速较低时定位精度较高,并且在采用4传感器阵列时可取得比3传感器阵列更高的定位精度。本文的研究结果对空间碎片在轨感知系统的研制具有参考价值。为实现对航天器上复合材料层合板结构的撞击源定位奠定了技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 声发射定位技术研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 研究现状分析
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 板波理论及声发射信号处理方法
• 2.1 引言
• 2.2 板波理论
• 2.2.1 群速度和频散
• 2.2.2 板波的模态
• 2.3 小波变换
• 2.4 Hilbert-Huang 变换
• 2.4.1 EMD 分解
• 2.4.2 Hilbert 谱变换
• 2.5 本章小结
• 第3章 声发射源定位实验平台开发
• 3.1 引言
• 3.2 实验平台的软硬件组成
• 3.3 实验平台的设计
• 3.4 实验平台应用实例
• 3.5 本章小结
• 第4章 铝合金板声发射源定位研究
• 4.1 引言
• 4.2 到达时刻确定算法
• 4.2.1 改进的单时标确定算法
• 4.2.2 改进的双时标确定算法
• 4.3 常用定位方法
• 4.3.1 三角定位法
• 4.3.2 菱形定位法
• 4.3.3 单传感器线定位算法
• 4.3.4 双时标平面定位算法
• 4.4 等波阵面定位法
• 4.4.1 三传感器平面定位算法
• 4.5 铝合金板声发射源定位试验
• 4.5.1 铝合金板线定位实验
• 4.5.2 双时标定位法和等波阵面法在铝合金板平面定位中的应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 纤维增强层合板声发射源定位研究
• 5.1 引言
• 5.2 定位算法
• 5.3 玻璃/环氧层合板声发射源定位实验
• 5.3.1 层合板波速测量
• 5.3.2 层合板定位实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 示波器控制程序
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢