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(dòng)距今已有近60年的歷史，空間活動(dòng)的增加在給人類帶來更多便利的同時(shí)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(dòng)能的特點(diǎn)，對航天器在軌安全運(yùn)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(shí)時(shí)感知航天器受空間碎片撞擊事件并進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)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(jìn)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(shí)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(dāng)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(jì)學(xué)中的模式分類方法，且在選取特征參數(shù)時(shí)具有一定盲目性等。
　　基于以上背景與研究現(xiàn)狀，本文運(yùn)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(shí)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(gè)模態(tài)分別分離，根據(jù)所提取各個(gè)信號的特點(diǎn)選定能表征各個(gè)模態(tài)信息的特征參數(shù)。根據(jù)平板聲發(fā)射的特點(diǎn)，提出并驗(yàn)證了平板超高速撞擊聲發(fā)射產(chǎn)生過程的一個(gè)假設(shè)，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(gè)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(dāng)彈丸尺寸一定時(shí)，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(dāng)撞擊速度為2.5km/s時(shí)靶板被擊穿，動(dòng)能被彈丸帶走導(dǎo)致趨勢減緩；A0模態(tài)的兩個(gè)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?yàn)閺椡钃舸┌邪搴髱ё吡艘許0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(jià)單個(gè)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(yàn)算法。并將使用經(jīng)K-W檢驗(yàn)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(yàn)篩選之后的特征參數(shù)，但兩者之間的差距不大。驗(yàn)證對復(fù)雜系統(tǒng)的損傷模式識別中，用K-W檢驗(yàn)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(shí)傳感器利用率不高的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)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(gè)模式下采用多個(gè)傳感器對撞擊事件進(jìn)行識別的正確率