基于模態(tài)聲發(fā)射的平板超高速撞擊損傷模式識別技術(shù).pdf

1、人類首次空間活動距今已有近60年的歷史，空間活動的增加在給人類帶來更多便利的同時也帶來了空間碎片環(huán)境惡化的后果。由于空間碎片具有高動能的特點，對航天器在軌安全運行構(gòu)成了很大威脅。為了增加航天器的生存力，航天員和地面控制人員需實時感知航天器受空間碎片撞擊事件并進行相應應對措施，對空間碎片超高速撞擊在軌感知系統(tǒng)的研發(fā)需求越來越迫切。目前主要基于模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)對該感知系統(tǒng)進行研究，將撞擊產(chǎn)生的聲發(fā)射信號波形與由該撞擊產(chǎn)生的聲發(fā)射物理過程相聯(lián)系

2、。利用該方法已基本實現(xiàn)在軌感知系統(tǒng)中撞擊源定位模塊的研發(fā)，但對于撞擊損傷模式識別的研究較少。另外，當前對于超高速撞擊損傷模式識別具有一定的局限性：多為單傳感器、固定位置；識別方法上多采用統(tǒng)計學中的模式分類方法，且在選取特征參數(shù)時具有一定盲目性等。
　　基于以上背景與研究現(xiàn)狀，本文運用模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)，研究材料為Al2017的鋁合金球彈丸撞擊航天器中常用的Al5A06鋁合金平板時的損傷模式識別問題。
　　首先，利用小波分解重構(gòu)的

3、方法，將采集到的聲發(fā)射信號中各個模態(tài)分別分離，根據(jù)所提取各個信號的特點選定能表征各個模態(tài)信息的特征參數(shù)。根據(jù)平板聲發(fā)射的特點，提出并驗證了平板超高速撞擊聲發(fā)射產(chǎn)生過程的一個假設，即：隨撞擊速度的增加，聲發(fā)射源由板面聲發(fā)射源向板內(nèi)聲發(fā)射源轉(zhuǎn)變。
　　隨后，分析了各模態(tài)特征參數(shù)與損傷之間的關(guān)系。通過觀察所提取的各個模態(tài)特征參數(shù)與撞擊速度（在本文研究范圍內(nèi)撞擊速度能夠表征損傷情況）、傳播距離之間的關(guān)系得出：當彈丸尺寸一定時，S0模態(tài)的各

4、特征參數(shù)值跟撞擊速度都呈線性關(guān)系，當撞擊速度為2.5km/s時靶板被擊穿，動能被彈丸帶走導致趨勢減緩；A0模態(tài)的兩個特征參數(shù)跟撞擊速度之間無明顯的變化規(guī)律，但在靶板被擊穿的臨界速度2.5km/s處出現(xiàn)明顯的極小值；S2模態(tài)各特征參數(shù)跟撞擊速度之間有明顯的線性關(guān)系，在靶板被擊穿的臨界速度2.5km/s出現(xiàn)極小值，且發(fā)現(xiàn) S2模態(tài)隨傳播距離的增加而顯著衰減，受傳播距離的影響較大；總能量跟撞擊速度之間的關(guān)系不明顯，但各模態(tài)所占的能量比跟撞擊速

5、度之間關(guān)系密切，其中A0所占能量比重隨撞擊速度的增加而減小、S0、S2所占能量比重隨撞擊速度的增加而增加；對于 A0、S0能量比與傳感器距離之間出現(xiàn)的不同現(xiàn)象是由于A0隨傳播距離的增加衰減率大于總能量的衰減率，S0則反之。在撞擊速度為2.5km/s處出現(xiàn)不同的極值是因為彈丸擊穿靶板后帶走了以S0模態(tài)能量為主的大量能量。
　　其次，針對之前研究中選取特征參數(shù)的盲目性，引入了評價單個特征參數(shù)對特定模式分類問題分類能力相對大小的K-W檢

6、驗算法。并將使用經(jīng)K-W檢驗篩選的特征參數(shù)與使用不經(jīng)篩選全部特征參數(shù)的識別率對比得出：使用全部特征參數(shù)的識別率大于使用經(jīng)K-W檢驗篩選之后的特征參數(shù)，但兩者之間的差距不大。驗證對復雜系統(tǒng)的損傷模式識別中，用K-W檢驗篩選特征參數(shù)的必要性。
　　最后，針對目前工程中存在的損傷模式識別時傳感器利用率不高的現(xiàn)象，設計了多傳感器模式識別的數(shù)據(jù)融合算法，并通過對比撞擊事件的平均識別率得出：在各個模式下采用多個傳感器對撞擊事件進行識別的正確率