超高速撞击板波特性与声发射空间碎片在轨感知技术

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,空间碎片超高速撞击对航天器的在轨安全运行构成了严重的威胁,成为不可忽略的重要风险因素。作为应对措施,发展了减缓、规避、防护等技术以保护航天器的安全。除此之外,人们还提出了一种基于声发射技术的在轨感知系统,用于实时监测航天器遭受空间碎片撞击的事件,定位空间碎片撞击点并评估撞击的后果。声发射技术作为成功应用于某些工业领域的无损检测手段,已经发展了一系列定位与源识别的方法,但是通常这些方法只适用于特定的声发射源类型。目前,对于由超高速撞击产生的声发射现象的认识还明显不足,因此建立在轨感知技术需要对其进行深入研究。本文针对这个需求开展了关于超高速撞击声发射信号及其波源特性的研究。获取超高速撞击声发射波形是开展研究的基础,由于加载技术的复杂性及对信号保真度的要求,首先进行了系统的工作,结合实验与数值仿真手段实现了超高速撞击声发射信号的获取。利用二级轻气炮发射铝弹丸超高速撞击铝合金靶板,并选用了高阻尼、高共振频率的压电探头采集远场声发射信号,建立了超高速撞击声发射实验平台。为了从所采集信号中还原原始波形,利用铅芯折断声发射信号及动力学有限元法模拟的原始波形对传感器的灵敏度特性进行了校准,发现所采用的N182探头对靶板表面法向速度而并非文献中提及的法向位移敏感,同时得到了特定工况下的传感器局部近似灵敏度。为了弥补实验手段在发射能力与机理研究方面的不足,还采用Lagrange算法仿真超高速撞击现象以获取远场的法向速度信号。比较利用速度灵敏度从实验信号还原得到的原始波形与同样工况下数值仿真获取的速度波形,结果表明两者基本吻合,实验手段与数值仿真手段都可以获取有效的超高速撞击声发射信号。为了满足声发射定位技术以及撞击识别的需求,对超高速撞击声发射信号的板波模态特征进行了研究。结合实验与数值仿真手段获取了Φ1.5~10.0mm、0.05~8km/s铝弹丸撞击5mm厚铝合金靶板产生的声发射信号。利用小波变换对这些信号进行辨识,发现主要包含S0、A0、S2阶板波模态。为了定量描述各模态幅度,提出了一种特征幅度的概念,并利用它分别研究了撞击速度及弹丸尺寸对各模态幅度的影响,结果表明特征幅度可以较好地反映出模态幅度的定量规律:在靶板发生击穿损伤之前,A0模态的特征幅度与弹丸的质量、速度都近似成正比,S0、S2模态的特征幅度与弹丸的速度近似成正比;在较高速度时,A0模态波形出现反相现象,因而特征幅度会改变符号。撞击点定位是在轨感知系统的基本功能,而合理的定位方案必须基于超高速撞击声发射信号的特征。超高速撞击声发射采用的时差定位技术由到达时间确定算法与定位算法组成:针对超高速撞击声发射信号具有较强头部波形的特点利用改进的阈值法获取了第一到达时间,针对其板波模态特征利用小波谱分析方法获取了第二到达时间;在最小二乘算法的基础上,提出了最小时标方差定位算法。利用上述算法进行了超高速撞击定位实验,结果表明:经过改进的阈值法比小波变换方法获取的到达时间精度更高,时标最小二乘算法具有稳定性强,精度高的优势,两者结合可以较好地解决超高速撞击定位的工程问题。声发射源机理分析是声发射基础研究的前沿领域,在了解高速撞击声发射信号特征的基础上,对这种声发射现象的产生机制进行了初步研究。通过对超高速撞击过程的分析,认为声发射信号是冲击载荷激发的远场弹性应力波,在此基础上建立了法向冲击力和径向冲击力的模型,利用这种模型,分析了超高速撞击声发射信号中观察到的主要模态的产生机制:A0模态主要由法向冲击力加载产生,其特征幅度与法向冲量近似成正比,在靶板被击穿之前也与弹丸具有的动量近似成正比;S0和S2模态主要由径向冲击力加载产生,其中S0模态的特征幅度与径向力的时间积分在较低速度时近似成正比。在法向冲击力模型的基础上,还由法向冲量的反向解释了A0模态波形的反相现象。本文的研究成果对发展空间碎片声发射在轨感知技术具有重要的参考价值。对定位技术的研究结果经过进一步完善与工程化实现可以直接应用于在轨感知系统的定位功能上,对波形模态与撞击参数及损伤模式关系的研究为在轨感知系统的撞击源识别奠定了初步基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 空间碎片问题与撞击在轨感知系统
• 1.1.1 空间碎片环境及其危害
• 1.1.2 空间碎片问题的对策与在轨感知系统
• 1.1.3 声发射在轨感知技术及其研究现状
• 1.2 声发射技术中的定位与源辨识研究
• 1.2.1 声发射技术概述
• 1.2.2 声发射源定位
• 1.2.3 波源机理与辨识研究
• 1.3 撞击声发射研究
• 1.3.1 低速撞击声发射研究
• 1.3.2 超高速撞击现象及其研究手段
• 1.3.3 超高速撞击声发射研究
• 1.4 研究现状分析
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 超高速撞击声发射信号获取技术
• 2.1 引言
• 2.2 超高速撞击声发射信号的实验采集
• 2.2.1 超高速撞击声发射实验装置
• 2.2.2 N182 传感器的敏感特性及其灵敏度标定
• 2.2.3 前置放大器性能评估
• 2.3 超高速撞击声发射现象的数值模拟
• 2.3.1 超高速撞击问题的数值仿真方法
• 2.3.2 有限元模型
• 2.4 实验与数值仿真的结果及其对比校验
• 2.4.1 靶板损伤模式参数的对比
• 2.4.2 声发射信号波形的对比
• 2.5 本章小结
• 第3章 超高速撞击声发射信号板波模态特征
• 3.1 引言
• 3.2 基于小波变换的板波模态识别
• 3.2.1 板波的模态及频散
• 3.2.2 小波变换的定义
• 3.2.3 声发射信号板波模态识别
• 3.3 声发射信号模态特征与撞击速度的关系
• 3.3.1 实验工况及其结果
• 3.3.2 信号模态特征
• 3.3.3 数值仿真工况及其信号模态特征
• 3.3.4 模态的特征幅度
• 3.3.5 特征幅度与速度的关系
• 3.3.6 特征幅度与损伤的关系
• 3.3.7 实验校验
• 3.4 声发射信号模态特征与弹丸尺寸的关系
• 3.4.1 实验工况及其结果
• 3.4.2 特征幅度与弹丸尺寸的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 超高速撞击声发射源定位技术
• 4.1 引言
• 4.2 声发射源时差定位原理
• 4.2.1 到达时间的确定和波速测定
• 4.2.2 平面定位算法
• 4.3 铅芯折断源定位实验
• 4.3.1 到达时间与波速测定
• 4.3.2 定位实验及其结果
• 4.4 超高速撞击声发射源定位实验
• 4.4.1 到达时间算法与波速测量
• 4.4.2 定位实验及其结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 超高速撞击声发射源模型及在轨感知源识别方案
• 5.1 超高速撞击的冲击力模型
• 5.1.1 超高速撞击过程
• 5.1.2 超高速撞击声发射源机理
• 5.1.3 法向冲击力和径向冲击力模型
• 5.2 冲击力与超高速撞击声发射信号的关系
• 5.2.1 动力学有限元波源模拟
• 5.2.2 法向冲击力与板波模态的关系
• 5.2.3 法向冲击力与信号反相现象
• 5.2.4 径向冲击力与板波模态的关系
• 5.3 在轨感知技术中的撞击源识别方案
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表、待发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历