基于声发射的铝蜂窝板超高速撞击损伤模式识别方法.pdf

航空学报 M a y2 52 0 1 7V 0 1 3 8N o5 A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r o n a u t i c aS i n i c a I S S N1 0 0 0 6 8 9 3O N11 1 9 2 9 V h t t p ：h k x b b u a ae d u c ah k x b b u a a e d uC R D O I ：1 0 7 5 2 7 $ 1 0 0 0 - 6 8 9 3 2 0 17 2 2 0 4 0 1 基于声发射的铝蜂窝板超高速撞击损伤模式 识别方法 刘源，庞宝君，迟润强“，才源 哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 1 5 0 0 8 0 摘要：为通过声发射技术识别铝合金蜂窝板超高速撞击( H V I ) 的损伤状态，提出一种基于神经网络的损伤模式识别 方法。通过超高速撞击实验获取声发射信号，结合精确源定位技术、时频分析技术、小波分析技术及模态声发射技术，提 出了1 0 个与损伤相关的特征参数，通过非参数检验分析其与损伤的关系，设计了一种基于贝叶斯正则化B P 神经网络的 超高速撞击损伤模式识别方法。建立最优网络模型，通过不同参数组合识别能力分析，优选出2 种特征参数组合，通过 非同源样本对其损伤模式识别能力进行验证。结果表明：传播距离与损伤模式无关，却是识别损伤模式的重要参数； 1 2 5 2 5 0k H z 频域的自动加窗小波能量比会降低损伤模式的识别能力；采用贝叶斯正则化的B P 神经网络可以较好地 识别蜂窝板超高速撞击损伤模式，参数组合为传播距离、上升时间、持续时间、截止频率、4 个自动加窗小波能量 E 及小 波能量熵，共9 个参数，对任意选取非同源样本识别错分率仅为9 3 8 。 关键词：空间碎片；超高速撞击；声发射；损伤模式识别；神经网络 中图分类号：V 1 9 ；X 9 4 9文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 6 8 9 3 ( 2 0 1 7 ) 0 5 2 2 0 4 0 1 1 3 空间碎片对航天器在轨安全运行构成严重威 胁口 ，其中毫米级空间碎片的准确运行轨道难以 观测，无法进行有效规避，具有较大的撞击威胁。 为保障航天器的在轨安全，人们提出一种能够实 现对空间碎片超高速撞击( H V I ) 事件进行感知的 系统，称为“在轨感知系统”，主要具有感知撞击事 件发生、定位撞击源及撞击损伤模式识别等能力， 其中损伤模式识别是目前研究的重点和难点。基 于声发射技术的在轨感知系统具有较好的可实现 性及较高的定位能力，美国国家航空航天局 ( N A S A ) 和欧洲空间局( E S A ) 等机构已开发了 L A D C ( L a r g eA r e aD e b r i sC o l l e c t o r ) 、D I D S ( D i s t r i b u t e dI m p a c tD e t e c t o rS y s t e m ) 、M D D ( M i c r o m e t e o r o i d s p a c eD e b r i sD e t e c t o r ) 、冲击传 感网络( I m p a c tS e n s o rN e t w o r k ) 、D E B I E ( D E B r i sI n o r b i tE v a l u a t o r ) 等 2 6 基于声发射技术的 在轨感知系统；国内也针对多种典型航天器结构 受空间碎片超高速撞击在轨感知技术进行研 究7 。8 ，开发了多种超高速撞击源定位技术 9 1 1 I ， 并针对平板结构初步提出了超高速撞击损伤模式 识别方法 1 ”j 。 蜂窝板主要由双层蒙皮和蜂窝芯构成，特 点是质量轻、比强度和比刚度高、隔热性能好， 常用在卫星结构中。目前研究人员对蜂窝板 的超高速撞击极限特性进行了研究 1 。1 5 ，但针 对蜂窝板超高速撞击声发射信号特性研究 较少。 超高速撞击导致材料中产生弹、塑性形变及 收稿日期：2 0 1 6 0 5 0 5 ；退修E l 期：2 0 1 6 1 0 1 9 ；录用E l 期：2 0 1 7 0 2 1 3 ；网络出版时间：2 0 1 7 0 3 0 3 1 9 ：0 2 网络出版地址：W W W c n k i n e t k c m s d e t a i l 1 1 1 9 2 9 V 2 0 1 7 0 3 0 3 1 9 0 20 0 2h t m l 基金项目：国家“十二五”空间碎片专项( K 0 2 0 3 2 1 0 ) ；中央高校基本科研业务费专项资金( H I T N S R I F2 0 1 5 0 2 9 ) * 通讯作者E - m a i l ：c h i r q h i te d u c n 爨羽椿武。朗源，宠宝君。迟润强。等基于声发射的铝蜂窝板超高速撞击损伤模式识鄹杰法西航空学报2 0 1 7 ，3 8 ( 5 ) ：2 2 0 4 0 1 L I UY ，P A N GBJ ，C H IRQ ，e ta lAd a m a g ep a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o df o rh y p e r v e l o c i t yi m p a c to na l u m i n u mh o n e y c o m bc o r e s a n d w i c hb a s e do na c o u s t 七e m i s s i o n J ，A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r o n a u t i c aS i n i c a ，2 01 7 ，3 8 ( 5 ) ：2 2 0 4 0 1 万方数据 航 空 学 报 = = 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 相变等物理过程，形成的超高速撞击声发射信号 包含信息复杂，难以通过个别参数建立与损伤的 对应关系，尤其是蜂窝板的各向异性性，进一步增 加了其受超高速撞击损伤模式识别的难度。本 文通过超高速撞击实验，获得蜂窝板在不同损 伤程度时的超高速撞击声发射信号，采用多种 时频分析手段获得信号的特征参数，设计和优 选与损伤相关的特征参数组合，建立针对蜂窝 板超高速撞击声发射信号的B P 神经网络损伤 模式识别模型，并通过非同源样本对模型进行 验证。 1 超高速撞击实验 利用二级轻气炮发射3 2I n m 的2 0 1 7 铝 合金球形弹丸撞击实验蜂窝板，通过在实验板面 上安装传感器获取信号。 实验蜂窝板的面板尺寸为6 0 0m mX 6 0 0m m 。前后蒙皮面板的厚度为0 8m m ，铝蜂 窝芯的高度为2 0m m ，由边长为4m m 的正六边 形构成，蜂窝芯壁厚为0 0 2 5m m ，蒙皮面板及蜂 窝芯的材料均为5 A 0 6 铝合金，结构示意图如图1 所示。 将8 枚O L Y M P U S 公司的V 1 8 2 传感器安 装在蜂窝板后蒙皮面板上，以板面几何中心为原 点，传感器顺时针排列，布局如图2 所示。使用多 路数据采集系统采集传感器输出的信号，采样频 率为2 0M H z ，采集时间为1m s 。 d o q 2 5 - 衫 J 一 4 一l蔽一了， 4 l 一一l 惑 I+弋j 愧 髟 蟛 L 詈 一f o r 1 j 夕 d u 夕 +伯 图1 蜂窝板结构示意图 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fh o n e y c o m bc o r es a n d w i c h s t r u c t u r e L1 1 1 mI T I I T I 图2 传感器布局图 F i g 2 S e n s o ri n s t a l l i n gl a y o u t 获得有效信号的实验4 2 次，因此总计包括超 高速撞击信号3 3 6 组。采用磁测速和激光测速测 量弹丸撞击的速度，撞击速度及实验编号如表1 所示。 根据是否威胁航天器内部组件区分损伤模 式。当蜂窝板后蒙皮面板被击穿时，会在航天器 内部形成二次碎片，直接威胁内部组件，影响其在 轨安全性，因此根据蜂窝板后蒙皮面板的损伤定 义2 种典型损伤模式： 1 ) 成坑。蜂窝板后蒙皮面板被撞击损伤后 其撞击位置不透光，主要包括背侧未弯曲、背侧弯 曲、发生层裂等，在表1 中用“O ”表示。 2 ) 穿孔。蜂窝板后蒙皮面板被撞击损伤后 撞击位置透光，为了安全起见将临界情况也归入 该类，在表1 中用“1 ”表示。 采用A U T O D Y N 数值仿真得到蜂窝板的撞 击极限曲线如图3 所示，表明在上述损伤定义下， 蜂窝板后蒙皮面板产生穿孔损伤时弹丸直径和撞 击速度的临界条件，曲线下方工况呈成坑损伤，上 方呈穿孔损伤。 通过对实验蜂窝板的观察得到损伤模式， 如表1 所示，典型的成坑、穿孔损伤工况如图4 所示。根据实验共得到成坑损伤1 0 次；穿孔 损伤3 2 次，其中包括临界穿孔1 次。实验中 包括2 次实验( 2 0 1 3 1 0 2 8 0 6 和2 0 1 3 1 0 2 8 0 9 ) 虽超过临界速度，但弹丸在发射过程中破碎， 变为2 3 枚弹丸碎片撞击实验板，结果仍为 成坑损伤，实验工况与图3 中的拟合曲线基本 吻合。 2 2 0 4 0 1 2 万方数据 航空 学报 表1 实验工况 T a b l e1 E x p e r i m e n tc o n d i t i o n E x p e r i tN o ：= ：tv e ，1 寥7 D 。g e p a t t 。，。 E x p e r i m e n tN 0 ：= 竺v e l 7 7D 。嗍。p a t t e r n K s L K m SJ m J 2 0 1 3 0 9 0 5 0 11 2 0 1 3 1 0 2 9 0 3 1 3 21 2 0 1 3 0 9 0 6 0 2 1 4 61 2 0 l3 1 0 2 9 0 41 3 01 2 0 1 3 1 0 1 4 0 1 1 2 0 1 3 1 0 2 9 0 51 5 81 2 0 1 3 1 0 1 5 0 6 1 8 712 0 13 1 0 3 0 0 22 3 6 1 2 0 1 3 1 0 2 0 0 12 6 01 2 0 3 1 0 3 0 0 3】7 4】 2 0 1 3 1 0 2 0 0 22 8 11 2 0 1 3 1 0 3 0 0 41 2 61 2 0 1 3 1 0 2 2 0 2 1 7 912 0 1 3 1 0 3 0 0 5l _ 1 1 l 2 0 1 3 1 0 2 2 0 3 3 0 5l2 0 1 3 1 0 3 1 0 11 0 61 2 0 1 3 1 0 2 5 0 12 191 2 0 1 3 1 0 3 1 0 21 1 01 2 0 1 3 1 0 2 5 0 22 3 61 2 0 1 3 i 0 3 1 0 3I 3 0l 2 0 1 3 1 0 2 5 0 32 1 612 0 1 3 1 0 3 1 0 41 4 51 2 0 1 3 1 0 2 5 0 41 4 012 0 1 3 1 0 3 1 0 50 7 20 2 0 1 3 1 0 2 8 0 l1 5 812 0 1 3 1 0 3 1 0 62 1 21 2 0 1 3 1 0 2 8 0 21 5 1l2 0 1 3 1 1 0 3 0 10 9 40 2 0 1 3 1 0 2 8 0 31 5 212 0 1 3 1 1 0 3 0 20 9 1I 2 0 1 3 1 0 2 8 0 41 5 612 0 13 1 1 0 3