趙發(fā)剛， 周春華， 梁大開(kāi)， 劉 曌， 史 瑞

(1.上海衛(wèi)星工程研究所空間機(jī)熱技術(shù)一體化實(shí)驗(yàn)室 上海,200240)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京,210016)(3.上海航天控制技術(shù)研究所 上海,201109)

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衛(wèi)星典型復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)板的沖擊定位方法*

趙發(fā)剛1， 周春華1， 梁大開(kāi)2， 劉 曌3， 史 瑞2

(1.上海衛(wèi)星工程研究所空間機(jī)熱技術(shù)一體化實(shí)驗(yàn)室 上海,200240)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京,210016)(3.上海航天控制技術(shù)研究所 上海,201109)

針對(duì)一種典型復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料沖擊響應(yīng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了小波包分解獲得其能量譜。結(jié)果表明，第16階小波包能量對(duì)沖擊敏感。利用能量幅值比進(jìn)行沖擊定位，平均誤差為1.87cm。該方法能夠有效判定沖擊位置，為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一定的依據(jù)。

復(fù)合材料蜂窩板; 光纖布拉格光柵; 沖擊定位; 小波包分析

引 言

復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的重視[1]，通常航天器板結(jié)構(gòu)中80%～90%以上都采用此種結(jié)構(gòu)[2]。但蜂窩夾層板的樹(shù)脂基體和蜂窩芯子的脆性，使其對(duì)沖擊特別敏感，即使是低速?zèng)_擊也會(huì)造成不可忽視的損傷，引起結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化。衛(wèi)星在使用過(guò)程中極易受到來(lái)自外太空碎片與衛(wèi)星自身火工品的沖擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載能力和穩(wěn)定性急劇下降，嚴(yán)重威脅衛(wèi)星結(jié)構(gòu)安全。

在典型結(jié)構(gòu)板的沖擊監(jiān)測(cè)研究上，研究人員建立了沖擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)板的應(yīng)力與應(yīng)變分布數(shù)學(xué)損傷模型，如準(zhǔn)靜力模型、Hertz模型等，得到了典型結(jié)構(gòu)板在不同沖擊載荷下的損傷機(jī)理[3-5]。通常采用射線(xiàn)法、超聲波及渦流等方法監(jiān)測(cè)損傷。寧志威等[6]研究了利用聲-超聲技術(shù)監(jiān)測(cè)碳-碳復(fù)合材料薄板損傷，可以監(jiān)測(cè)嚴(yán)重的沖擊脫層。周德強(qiáng)等[7]提出了基于磁通密度的脈沖渦流檢測(cè)法，能夠識(shí)別出4J沖擊下碳纖維復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)表面的凹陷情況。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板本身界面分離、夾雜及樹(shù)脂固化不良等因素的影響，上述方法就會(huì)存在較大的誤差，且其無(wú)法實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)沖擊過(guò)程[8]。光纖布拉格光柵傳感器(fiber Bragg grating,簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)具有體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、耐腐蝕、波長(zhǎng)和時(shí)間編碼復(fù)用、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和分布式測(cè)量等特點(diǎn)[9]，在航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有很多的應(yīng)用。

筆者采用FBG構(gòu)建沖擊定位網(wǎng)絡(luò)，分析沖擊響應(yīng)的頻域信號(hào)，采用小波包分析提取不同頻段內(nèi)的信號(hào)能量特征，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)板的沖擊定位，為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)找到了一條可行的途徑。

1 基于小波包分解和能量幅值比的沖擊定位原理

沖擊定位試驗(yàn)中，由于復(fù)合材料蜂窩板具有各項(xiàng)異性的特性，導(dǎo)致應(yīng)力波的傳播模式復(fù)雜多變，所采集到的沖擊響應(yīng)信號(hào)的頻率組成不是單一、簡(jiǎn)單的，十分復(fù)雜。傳統(tǒng)的方法只能對(duì)沖擊響應(yīng)中的某些頻段信號(hào)進(jìn)行分析，做不到全頻段分析。

(1)

其中：n為分解層次；i為分解階次；fs為采樣頻率。

利用小波包分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行m層分解，可以得到第m層從低頻到高頻共2m個(gè)不同頻段范圍的特征信號(hào)。對(duì)小波包分解特征信號(hào)系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，即可得到每個(gè)參數(shù)的重構(gòu)系數(shù)S。利用重構(gòu)系數(shù)計(jì)算各頻段信號(hào)的總能量，則構(gòu)成小波能量譜

(2)

其中：i為分解階次；k為采樣點(diǎn)數(shù)；x為重構(gòu)特征信號(hào)系數(shù)S散點(diǎn)的幅值。

根據(jù)式(1)和式(2)即可計(jì)算得到?jīng)_擊響應(yīng)信號(hào)各頻段的能量譜幅值分布信息[10]。

將每一個(gè)傳感器的能量幅值比Kij與其相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光纖FBG傳感器的坐標(biāo)位置歐式距離進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可得到一個(gè)比值點(diǎn)。具體關(guān)聯(lián)公式為

(3)

其中；(xi,yi)，(xj,yj)分別為第i個(gè)和第j個(gè)光纖FBG傳感器的坐標(biāo)；Xi,j，Yi,j為關(guān)聯(lián)后得到的比值點(diǎn)的坐標(biāo)。

經(jīng)過(guò)上述步驟得到選定的比值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x軸和y軸坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行算術(shù)平均即可得到預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

(4)

其中：k為準(zhǔn)則下選取的x坐標(biāo)下光纖FBG傳感器能量幅值比的個(gè)數(shù)；n為準(zhǔn)則下選取的y坐標(biāo)下光纖FBG傳感器能量幅值比個(gè)數(shù)。

由于鮮食玉米是按穗銷(xiāo)售，若穗小，則效益不好。因此，播種時(shí)，應(yīng)比正常成熟的玉米田適當(dāng)稀一些。一般中產(chǎn)水平田塊在3000～3500株；高產(chǎn)水平在3500～4000株。以求成大穗，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 試 驗(yàn)

2.1 對(duì)航天器蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)響應(yīng)模式的分析與模擬

在有限元分析中，網(wǎng)格精度、結(jié)構(gòu)建模、載荷工況的設(shè)置、模型的簡(jiǎn)化建模、工程參數(shù)選擇及分析步驟的設(shè)置等因素都可以影響仿真分析精度。筆者所設(shè)計(jì)的蜂窩夾層板有3層結(jié)構(gòu)，上下兩層為復(fù)合材料面板，中間為鋁制蜂窩芯子，如圖1所示，各材料參數(shù)如表1所示。

圖1 蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真模型Fig.1 Finite element model of composite honeycomb sandwich structure

材料彈性模量Exx/GPa Eyy/GPa泊松比剪切模量/GPa密度/(kg·m-3)鋁蜂窩芯子5A023．39×10-53．39×10-50．336．36×10-625蒙皮T700/AG80135．011．90．274．351580

利用MCS.Patran/Natran軟件完成建模，采用Isomesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，試件的邊界條件采用四邊固支情況，分析模態(tài)振型與頻率，結(jié)果如圖2所示。復(fù)合材料蜂窩夾芯板的振型主要集中在板中央?yún)^(qū)域，而四邊響應(yīng)較小。其中1階、2階、3階和4階的固有頻率分別為379.13，412.19,415.02和504.72Hz。參考1階振型的云圖，F(xiàn)BG傳感器采用了圓周型布局。仿真結(jié)果為FBG傳感器布局給出了可行的方案。

圖2 模態(tài)振型Fig.2 Model shapes

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

FBG沖擊定位系統(tǒng)主要由傳感模塊/數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理及定位模塊3部分組成。傳感模塊由8個(gè)FBG傳感器構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集模塊選用美國(guó)MOI公司的SM130型光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)頻率為2kHz，分辨率小于1pm，如圖3所示。

圖3 基于FBG的蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Impact monitoring system of composite honeycomb sandwich structure based on FBG sensors

蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件的幾何尺寸為525 mm×405 mm×30 mm，上、下兩層為碳纖維復(fù)合材料，中間層為鋁蜂窩，四邊固支，其中固支架的邊框?qū)挾葹?7 mm。在蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件背面粘貼8個(gè)不同波長(zhǎng)的FBG傳感器，圖4為試件照片。

圖4 試件Fig.4 Specimen

四邊固支的蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件的試驗(yàn)面積為480 mm×360 mm，其劃分為11行、15列，長(zhǎng)、寬均為30 mm的小格，如圖5所示，各傳感器的布局與中心波長(zhǎng)如表2所示。

表2 傳感器波長(zhǎng)與位置

圖5 傳感器排布與沖擊點(diǎn)示意圖Fig.5 FBG sensors configuration and impact point

2.3 沖擊信號(hào)的監(jiān)測(cè)與分析

8支FBG傳感器通過(guò)串聯(lián)的方式接入光纖光柵解調(diào)儀SM130，解調(diào)儀的采樣率為2 kHz，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FBG中心波長(zhǎng)的變化量。采用沖擊錘沖擊橫、縱坐標(biāo)交點(diǎn)，沖擊錘的能量設(shè)為0.1J，利用FBG測(cè)量蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)信號(hào)。試件在沖擊載荷作用下發(fā)生變形，F(xiàn)BG傳感器的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之發(fā)生變化，F(xiàn)BG傳感器的波長(zhǎng)變化反應(yīng)了試件的受沖擊情況。

選取沖擊點(diǎn)D(位置為270 mm×60 mm)為例，對(duì)FBG傳感網(wǎng)絡(luò)感知的沖擊響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析。FBG傳感網(wǎng)絡(luò)感知的沖擊響應(yīng)信號(hào)與頻譜如圖6所示。由圖6(a)可見(jiàn),FBG2波長(zhǎng)變化量最大，為46 pm。由圖6(b)可知,沖擊點(diǎn)D時(shí)，試件的諧振頻率段位于330～345 Hz之間，F(xiàn)BG2監(jiān)測(cè)的信號(hào)幅值最大，F(xiàn)BG7次之，F(xiàn)BG1最小。FBG2距離沖擊點(diǎn)最近，信號(hào)的幅值最大。FBG1最遠(yuǎn)，信號(hào)幅值最小。比較FBG7，F(xiàn)BG4與FBG8監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG7最大，F(xiàn)BG4次之，F(xiàn)BG8最小。頻譜分析結(jié)果表明,沖擊信號(hào)幅值與沖擊點(diǎn)與傳感器的距離以及二者之間的角度有關(guān)。

圖6 沖擊時(shí)FBG傳感網(wǎng)絡(luò)感知的沖擊響應(yīng)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)頻譜Fig.6 Impact response signal monitored by FBG network and corresponding frequency spectrums

2.4 沖擊信號(hào)的特征提取

在一定的沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生某種沖擊響應(yīng)，沖擊響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)的固有頻率、剛度、阻尼和激勵(lì)條件。利用小波包分解對(duì)收集到的沖擊響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分解，獲得全頻率段的信號(hào)特征。

采用db8小波作為沖擊載荷識(shí)別的小波函數(shù)，對(duì)圖6所示信號(hào)進(jìn)行小波包分解，由上至下分別為FBG1～FBG8監(jiān)測(cè)的沖擊響應(yīng)信號(hào)的小波包能量譜。

由圖7可看出，各傳感器信號(hào)的小波包能量譜除第1階外，第16階能量最大?？紤]到傳感器粘貼工藝與膠對(duì)沖擊響應(yīng)信號(hào)的影響，以FBG2與FBG4為例，分析沖擊點(diǎn)變化與傳感器信號(hào)之間的關(guān)系，選擇沖擊響應(yīng)信號(hào)小波包能量譜第16階做為特征向量。圖8、圖9為沖擊不同點(diǎn)，F(xiàn)BG2與FBG4信號(hào)E16能量云圖。

由圖8、圖9可見(jiàn)，沖擊點(diǎn)距傳感器FBG2和FBG4越近，E16能量值越大。隨沖擊點(diǎn)與傳感器距離的增加，能量逐漸減小，越靠近固支邊框，E16衰減越快。

圖7 沖擊點(diǎn)D信號(hào)的小波包分解能量譜Fig.7 Wavelet packet energy spectrums at impact point D

由圖8可見(jiàn)，縱向排布的FBG2對(duì)于傳感器左右兩側(cè)沖擊敏感。由圖9可見(jiàn)，橫向排布的FBG4對(duì)于傳感器上下兩側(cè)的沖擊敏感。

圖8 FBG2監(jiān)測(cè)信號(hào)的E16能量云圖Fig.8 Contours of E16 monitored by FBG2

圖9 FBG4監(jiān)測(cè)信號(hào)的E16能量云圖Fig.9 Contours of E16 monitored by FBG4

采用FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)信號(hào)，獲得各傳感器信號(hào)小波包能量譜圖。分析得到以下規(guī)律：a.小波包能量譜中第16階能量對(duì)沖擊敏感;b.沖擊點(diǎn)與傳感器距離越近，E16值越大，且隨沖擊點(diǎn)與傳感器距離的增加，E16逐漸減小;c.傳感器排布方向不同,沖擊敏感區(qū)不同。

將復(fù)合材料蜂窩板劃分為11行15列，排除因沖擊點(diǎn)較少、分布相對(duì)集中等原因?qū)е露ㄎ唤Y(jié)果相對(duì)較小,均勻選取其中9個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沖擊加載并對(duì)其定位預(yù)測(cè)，如圖10所示。

圖10 實(shí)際沖擊點(diǎn)和理論預(yù)測(cè)點(diǎn)位置分布Fig.10 The comparison of actual impact locations and predicted locations

表3為實(shí)際沖擊與理論預(yù)測(cè)位置的誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)合圖10可得，當(dāng)沖擊加載點(diǎn)處于板面中間部分區(qū)域時(shí)，預(yù)測(cè)識(shí)別誤差較??；當(dāng)沖擊加載點(diǎn)位于板面四周邊角部分時(shí)，預(yù)測(cè)識(shí)別誤差較大。這是由于固支邊致使沖擊應(yīng)力波衰減所造成。由表3可知，沖擊定位系統(tǒng)對(duì)均勻選取的9個(gè)沖擊點(diǎn)都做出了準(zhǔn)確的定位，且所選擇的沖擊點(diǎn)包括了所有行列的關(guān)鍵點(diǎn)，兼顧了中間和四周區(qū)域，因此定位的結(jié)果具有參考性。其中8號(hào)沖擊點(diǎn)預(yù)測(cè)識(shí)別誤差最大，為2.91 cm；2號(hào)沖擊點(diǎn)預(yù)測(cè)識(shí)別誤差最小，為0.55 cm；平均預(yù)測(cè)誤差為1.87 cm。

表3 沖擊定位誤差

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用FBG傳感器構(gòu)建蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板沖擊定位網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)小波包分析方法對(duì)傳感器采集的沖擊響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行特征提取，分析各頻率段信號(hào)的能量與沖擊位置之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的沖擊定位。通過(guò)試驗(yàn)證明，該方法能夠有效判定沖擊位置，測(cè)試平均誤差為1.87cm，可基本滿(mǎn)足工程需求。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.026

*機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(MCMS-0513K02)

2015-03-12；

2015-11-30

TH744; V414.6

趙發(fā)剛，男，1981年8月生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)測(cè)試。曾發(fā)表《匹配追蹤在齒輪故障診斷中的應(yīng)用》(《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2009年第43卷第6期)等論文。 E-mail：fagang0820@126.com