衛星典型復合材料蜂窩結構板的沖擊定位方法*

趙發剛， 周春華， 梁大開， 劉 曌， 史 瑞

(1.上海衛星工程研究所空間機熱技術一體化實驗室 上海,200240)(2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京,210016)(3.上海航天控制技術研究所 上海,201109)

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衛星典型復合材料蜂窩結構板的沖擊定位方法*

趙發剛1， 周春華1， 梁大開2， 劉 曌3， 史 瑞2

(1.上海衛星工程研究所空間機熱技術一體化實驗室 上海,200240)(2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京,210016)(3.上海航天控制技術研究所 上海,201109)

針對一種典型復合材料蜂窩夾芯結構，構建了光纖Bragg光柵傳感系統，實時監測材料沖擊響應信號，對信號進行了小波包分解獲得其能量譜。結果表明，第16階小波包能量對沖擊敏感。利用能量幅值比進行沖擊定位，平均誤差為1.87cm。該方法能夠有效判定沖擊位置，為衛星結構健康監測提供了一定的依據。

復合材料蜂窩板; 光纖布拉格光柵; 沖擊定位; 小波包分析

引 言

復合材料蜂窩夾芯結構憑借其輕質高強等優點，在航天領域得到越來越廣泛的重視[1]，通常航天器板結構中80%～90%以上都采用此種結構[2]。但蜂窩夾層板的樹脂基體和蜂窩芯子的脆性，使其對沖擊特別敏感，即使是低速沖擊也會造成不可忽視的損傷，引起結構力學性能退化。衛星在使用過程中極易受到來自外太空碎片與衛星自身火工品的沖擊，導致結構強度、承載能力和穩定性急劇下降，嚴重威脅衛星結構安全。

在典型結構板的沖擊監測研究上，研究人員建立了沖擊過程中結構板的應力與應變分布數學損傷模型，如準靜力模型、Hertz模型等，得到了典型結構板在不同沖擊載荷下的損傷機理[3-5]。通常采用射線法、超聲波及渦流等方法監測損傷。寧志威等[6]研究了利用聲-超聲技術監測碳-碳復合材料薄板損傷，可以監測嚴重的沖擊脫層。周德強等[7]提出了基于磁通密度的脈沖渦流檢測法，能夠識別出4J沖擊下碳纖維復合材料板結構表面的凹陷情況。由于復合材料結構板本身界面分離、夾雜及樹脂固化不良等因素的影響，上述方法就會存在較大的誤差，且其無法實時在線監測沖擊過程[8]。光纖布拉格光柵傳感器(fiber Bragg grating,簡稱FBG)具有體積小、抗電磁干擾能力強、靈敏度高、耐腐蝕、波長和時間編碼復用、可實現實時和分布式測量等特點[9]，在航天結構健康監測領域有很多的應用。

筆者采用FBG構建沖擊定位網絡，分析沖擊響應的頻域信號，采用小波包分析提取不同頻段內的信號能量特征，實現了復合材料蜂窩結構板的沖擊定位，為衛星結構健康監測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

沖擊定位試驗中，由于復合材料蜂窩板具有各項異性的特性，導致應力波的傳播模式復雜多變，所采集到的沖擊響應信號的頻率組成不是單一、簡單的，十分復雜。傳統的方法只能對沖擊響應中的某些頻段信號進行分析，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。

利用小波包分解對信號進行m層分解，可以得到第m層從低頻到高頻共2m個不同頻段范圍的特征信號。對小波包分解特征信號系數進行重構，即可得到每個參數的重構系數S。利用重構系數計算各頻段信號的總能量，則構成小波能量譜

(2)

其中：i為分解階次；k為采樣點數；x為重構特征信號系數S散點的幅值。

根據式(1)和式(2)即可計算得到沖擊響應信號各頻段的能量譜幅值分布信息[10]。

將每一個傳感器的能量幅值比Kij與其相對應的兩個光纖FBG傳感器的坐標位置歐式距離進行關聯，即可得到一個比值點。具體關聯公式為

(3)

其中；(xi,yi)，(xj,yj)分別為第i個和第j個光纖FBG傳感器的坐標；Xi,j，Yi,j為關聯后得到的比值點的坐標。

經過上述步驟得到選定的比值點對應的x軸和y軸坐標，對其進行算術平均即可得到預測點坐標

(4)

其中：k為準則下選取的x坐標下光纖FBG傳感器能量幅值比的個數；n為準則下選取的y坐標下光纖FBG傳感器能量幅值比個數。

由于鮮食玉米是按穗銷售，若穗小，則效益不好。因此，播種時，應比正常成熟的玉米田適當稀一些。一般中產水平田塊在3000～3500株；高產水平在3500～4000株。以求成大穗，取得較好的經濟效益。

2 試 驗

2.1 對航天器蜂窩夾芯結構響應模式的分析與模擬

在有限元分析中，網格精度、結構建模、載荷工況的設置、模型的簡化建模、工程參數選擇及分析步驟的設置等因素都可以影響仿真分析精度。筆者所設計的蜂窩夾層板有3層結構，上下兩層為復合材料面板，中間為鋁制蜂窩芯子，如圖1所示，各材料參數如表1所示。

圖1 蜂窩夾芯復合材料結構仿真模型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進行網格劃分，試件的邊界條件采用四邊固支情況，分析模態振型與頻率，結果如圖2所示。復合材料蜂窩夾芯板的振型主要集中在板中央區域，而四邊響應較小。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，FBG傳感器采用了圓周型布局。仿真結果為FBG傳感器布局給出了可行的方案。

圖2 模態振型Fig.2 Model shapes

2.2 試驗系統的構建

FBG沖擊定位系統主要由傳感模塊/數據采集模塊和數據處理及定位模塊3部分組成。傳感模塊由8個FBG傳感器構成，數據采集模塊選用美國MOI公司的SM130型光纖光柵解調儀，解調頻率為2kHz，分辨率小于1pm，如圖3所示。

圖3 基于FBG的蜂窩夾芯復合材料結構沖擊監測系統Fig.3 Impact monitoring system of composite honeycomb sandwich structure based on FBG sensors

蜂窩夾芯復合材料結構試件的幾何尺寸為525 mm×405 mm×30 mm，上、下兩層為碳纖維復合材料，中間層為鋁蜂窩，四邊固支，其中固支架的邊框寬度為37 mm。在蜂窩夾芯復合材料結構試件背面粘貼8個不同波長的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合材料結構試件的試驗面積為480 mm×360 mm，其劃分為11行、15列，長、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如表2所示。

表2 傳感器波長與位置

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

2.3 沖擊信號的監測與分析

8支FBG傳感器通過串聯的方式接入光纖光柵解調儀SM130，解調儀的采樣率為2 kHz，實時監測FBG中心波長的變化量。采用沖擊錘沖擊橫、縱坐標交點，沖擊錘的能量設為0.1J，利用FBG測量蜂窩夾芯復合材料結構的沖擊響應信號。試件在沖擊載荷作用下發生變形，FBG傳感器的中心波長會隨之發生變化，FBG傳感器的波長變化反應了試件的受沖擊情況。

選取沖擊點D(位置為270 mm×60 mm)為例，對FBG傳感網絡感知的沖擊響應信號進行分析。FBG傳感網絡感知的沖擊響應信號與頻譜如圖6所示。由圖6(a)可見,FBG2波長變化量最大，為46 pm。由圖6(b)可知,沖擊點D時，試件的諧振頻率段位于330～345 Hz之間，FBG2監測的信號幅值最大，FBG7次之，FBG1最小。FBG2距離沖擊點最近，信號的幅值最大。FBG1最遠，信號幅值最小。比較FBG7，FBG4與FBG8監測信號的幅值發現，FBG7最大，FBG4次之，FBG8最小。頻譜分析結果表明,沖擊信號幅值與沖擊點與傳感器的距離以及二者之間的角度有關。

圖6 沖擊時FBG傳感網絡感知的沖擊響應信號及其對應頻譜Fig.6 Impact response signal monitored by FBG network and corresponding frequency spectrums

2.4 沖擊信號的特征提取

在一定的沖擊載荷作用下，結構會產生某種沖擊響應，沖擊響應取決于結構的固有頻率、剛度、阻尼和激勵條件。利用小波包分解對收集到的沖擊響應信號進行分解，獲得全頻率段的信號特征。

采用db8小波作為沖擊載荷識別的小波函數，對圖6所示信號進行小波包分解，由上至下分別為FBG1～FBG8監測的沖擊響應信號的小波包能量譜。

由圖7可看出，各傳感器信號的小波包能量譜除第1階外，第16階能量最大。考慮到傳感器粘貼工藝與膠對沖擊響應信號的影響，以FBG2與FBG4為例，分析沖擊點變化與傳感器信號之間的關系，選擇沖擊響應信號小波包能量譜第16階做為特征向量。圖8、圖9為沖擊不同點，FBG2與FBG4信號E16能量云圖。

由圖8、圖9可見，沖擊點距傳感器FBG2和FBG4越近，E16能量值越大。隨沖擊點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D信號的小波包分解能量譜Fig.7 Wavelet packet energy spectrums at impact point D

由圖8可見，縱向排布的FBG2對于傳感器左右兩側沖擊敏感。由圖9可見，橫向排布的FBG4對于傳感器上下兩側的沖擊敏感。

圖8 FBG2監測信號的E16能量云圖Fig.8 Contours of E16 monitored by FBG2

圖9 FBG4監測信號的E16能量云圖Fig.9 Contours of E16 monitored by FBG4

采用FBG傳感器網絡監測蜂窩夾芯復合材料結構的沖擊響應信號，獲得各傳感器信號小波包能量譜圖。分析得到以下規律：a.小波包能量譜中第16階能量對沖擊敏感;b.沖擊點與傳感器距離越近，E16值越大，且隨沖擊點與傳感器距離的增加，E16逐漸減小;c.傳感器排布方向不同,沖擊敏感區不同。

將復合材料蜂窩板劃分為11行15列，排除因沖擊點較少、分布相對集中等原因導致定位結果相對較小,均勻選取其中9個網格節點進行沖擊加載并對其定位預測，如圖10所示。

圖10 實際沖擊點和理論預測點位置分布Fig.10 The comparison of actual impact locations and predicted locations

表3為實際沖擊與理論預測位置的誤差統計，結合圖10可得，當沖擊加載點處于板面中間部分區域時，預測識別誤差較小；當沖擊加載點位于板面四周邊角部分時，預測識別誤差較大。這是由于固支邊致使沖擊應力波衰減所造成。由表3可知，沖擊定位系統對均勻選取的9個沖擊點都做出了準確的定位，且所選擇的沖擊點包括了所有行列的關鍵點，兼顧了中間和四周區域，因此定位的結果具有參考性。其中8號沖擊點預測識別誤差最大，為2.91 cm；2號沖擊點預測識別誤差最小，為0.55 cm；平均預測誤差為1.87 cm。

表3 沖擊定位誤差

3 結束語

筆者采用FBG傳感器構建蜂窩夾層結構板沖擊定位網絡，通過小波包分析方法對傳感器采集的沖擊響應信號進行特征提取，分析各頻率段信號的能量與沖擊位置之間的關系，實現了蜂窩夾層結構板的沖擊定位。通過試驗證明，該方法能夠有效判定沖擊位置，測試平均誤差為1.87cm，可基本滿足工程需求。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.026

*機械結構力學及控制國家重點實驗室開放課題資助項目(MCMS-0513K02)

2015-03-12；

2015-11-30

TH744; V414.6

趙發剛，男，1981年8月生，高級工程師。主要研究方向為衛星結構設計與振動測試。曾發表《匹配追蹤在齒輪故障診斷中的應用》(《上海交通大學學報》2009年第43卷第6期)等論文。 E-mail：fagang0820@126.com