固體發(fā)動機(jī)界面結(jié)構(gòu)試件脫粘健康監(jiān)測研究*

張守誠，屈文忠，肖 黎

(武漢大學(xué) 工程力學(xué)系，武漢 430072)

固體發(fā)動機(jī)界面結(jié)構(gòu)試件脫粘健康監(jiān)測研究*

張守誠，屈文忠，肖 黎

(武漢大學(xué) 工程力學(xué)系，武漢 430072)

以復(fù)合材料殼體和絕熱層脫粘模型試件為對象，利用粘貼于殼體外表面的壓電主動激勵(lì)傳感器，基于高頻機(jī)電阻抗方法，對模擬藥柱/絕熱層界面脫粘的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同脫粘損傷工況下的導(dǎo)納頻譜曲線，計(jì)算了能表征脫粘程度的平均絕對偏差損傷指標(biāo)。結(jié)果表明，高頻機(jī)電阻抗方法可利用粘貼于殼體外表面的壓電傳感器有效地識別內(nèi)部結(jié)構(gòu)的界面脫粘，相比于傳統(tǒng)檢測方法，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，損傷指標(biāo)能量化表征脫粘程度，實(shí)驗(yàn)采用的兩種壓電傳感器中，MFC傳感器較PZT傳感器更適合于曲面固體發(fā)動機(jī)殼體脫粘檢測，為開展實(shí)際工況下的固體發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)界面脫粘損傷監(jiān)檢測工作提供理論與技術(shù)支撐。

固體發(fā)動機(jī)；界面脫粘；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；機(jī)電阻抗方法；有限元分析；平均絕對偏差

0 引言

對固體發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部位的界面脫粘狀態(tài)有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，判定界面完整性狀態(tài)，將對固體發(fā)動機(jī)貯存及壽命評估起到重要的保障作用。因此，對固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)界面狀態(tài)進(jìn)行有效的健康監(jiān)測具有極其重要意義，也是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[1-2]。

在固體發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測領(lǐng)域，國內(nèi)外的一些學(xué)者做了相關(guān)研究。邢耀國等闡述了近年來固體火箭發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域采用的新技術(shù)和失效判定領(lǐng)域的一些進(jìn)展，展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢[3-4]。Qing等利用Lamb波，對發(fā)動機(jī)殼體進(jìn)行了損傷檢測實(shí)驗(yàn)[5]。高鳴等提出了固體儀器發(fā)動機(jī)概念，設(shè)計(jì)了固體儀器發(fā)動機(jī)粘接界面應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6]。張波等設(shè)計(jì)了固體火箭發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)的具體方案，并對該系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望[7]。Chelner等利用界面應(yīng)力溫度傳感器，對固體火箭發(fā)動機(jī)界面脫粘進(jìn)行了研究[8]。

固體發(fā)動機(jī)界面脫粘的傳統(tǒng)檢測方法主要有紅外檢測技術(shù)、X射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)等[9]，但均無法對界面脫粘損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，評估其缺陷發(fā)展?fàn)顩r。近年來，一種新興的損傷監(jiān)檢測方法即高頻機(jī)電阻抗方法，通過壓電傳感器粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行測量，利用壓電傳感器的機(jī)電耦合特性反映出被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為固體發(fā)動機(jī)界面結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)監(jiān)測提供了新的思路。

在1994年，機(jī)電阻抗方法由Liang等首次提出[10]。此后，國內(nèi)外學(xué)者利用機(jī)電阻抗方法，進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)檢測研究，取得了巨大進(jìn)展。Giurgiutiu等利用機(jī)電阻抗方法，對老化航天器進(jìn)行了健康評估，開拓了該方法在航空領(lǐng)域應(yīng)用[11]。Park和Inman等對該方法做了很好研究綜述[12-13]。Lim和Soh等研究了如何建立更加精確的機(jī)電阻抗模型及優(yōu)化阻尼模型等[14]。Na和Lee等研究了提高機(jī)電阻抗方法混凝土損傷檢測能力的技術(shù)[15]。王強(qiáng)等進(jìn)行了機(jī)電阻抗方法結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測機(jī)理研究，并在鋁板上進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)[16]。王濤等進(jìn)行了基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動檢測試驗(yàn)研究[17]。機(jī)電阻抗方法對混凝土結(jié)構(gòu)和金屬材料的損傷檢測都取得了巨大發(fā)展，特別是金屬材料殼體檢測已成熟多樣，機(jī)電阻抗方法對金屬材料的損傷檢測特別敏感，采用低頻激勵(lì)就能獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果，而對于復(fù)合材料殼體，由于其高阻尼特性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以往的檢測方法程序復(fù)雜，成本高，采用高頻激勵(lì)的機(jī)電阻抗法，獲得共振頻率處的峰值差異，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料殼體實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

本研究利用粘貼于復(fù)合材料殼體外表面的壓電傳感器，基于高頻機(jī)電阻抗方法，對固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了數(shù)值仿真，并以復(fù)合材料殼體/絕熱層/模擬推進(jìn)劑橡膠材料的模型試件為對象，進(jìn)行了界面脫粘損傷監(jiān)檢測的實(shí)驗(yàn)研究，得到了有益結(jié)果。

1 機(jī)電阻抗方法界面脫粘健康監(jiān)測原理

固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)界面出現(xiàn)脫粘等損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗發(fā)生變化。目前，直接測量機(jī)械阻抗的方法一般均采用低頻激勵(lì)，而結(jié)構(gòu)脫粘等小損傷只對高頻敏感。因此，在對界面脫粘進(jìn)行損傷監(jiān)測時(shí)，宜采用高頻激勵(lì)的機(jī)電阻抗方法。機(jī)電阻抗方法基本原理是利用粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器的機(jī)電耦合特性，測量得到電阻抗信號(導(dǎo)納頻譜曲線)，反映出被測結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗信息，通過比較健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下導(dǎo)納頻譜曲線的變化，計(jì)算得到表征損傷程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，可準(zhǔn)確定量地識別結(jié)構(gòu)損傷。機(jī)電阻抗方法相比其他傳統(tǒng)損傷檢測方法具有明顯優(yōu)勢，其工作范圍是在壓電傳感器所在位置的小范圍內(nèi)，不受邊界條件影響，不需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸就能進(jìn)行檢測，且采用高頻激勵(lì)，對微裂紋和小面積脫粘等微小損傷非常敏感，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)界面脫粘的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。

在構(gòu)建機(jī)電阻抗理論模型時(shí)，本文主要討論利用壓電片的機(jī)電耦合特性，通過壓電片的電阻抗信號反映出被測結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的信息，揭示其機(jī)理，而不著重考慮理論模型對于實(shí)際三維結(jié)構(gòu)模擬的相似性，并且由于模型的復(fù)雜性和求解的困難性，目前二維阻抗模型和三維阻抗模型還難以用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測實(shí)踐當(dāng)中[18]。因此，文中采用物理意義清楚，便于結(jié)構(gòu)參數(shù)識別和健康監(jiān)測的一維阻抗模型。由壓電片(PZT)驅(qū)動的一維機(jī)電耦合阻抗模型表達(dá)式如下[19]：

(1)

式(1)表明，壓電片的機(jī)電耦合阻抗信號不僅與壓電材料性質(zhì)有關(guān)，還受到結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗影響，與激勵(lì)頻率有關(guān)，能反映出結(jié)構(gòu)在高頻段的阻抗變化。

利用機(jī)電阻抗方法進(jìn)行損傷程度評估時(shí)，通過分析損傷前后壓電阻抗(導(dǎo)納)信號譜的偏離程度，對損傷程度進(jìn)行判別，通常采用統(tǒng)計(jì)量衡量，統(tǒng)計(jì)量偏差越大，表示損傷越嚴(yán)重，可對結(jié)構(gòu)損傷程度定量處理。常用的統(tǒng)計(jì)量是平均絕對偏差(MAPD，MeanAbsolutePercentageDeviation)，定義為[20]

(2)

式中n為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目；Ri,1為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)導(dǎo)納信號；Ri,2為結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)導(dǎo)納信號。

2 藥柱結(jié)構(gòu)界面脫粘損傷檢測數(shù)值仿真

本章利用通用有限元軟件ANSYS平臺，進(jìn)行基于高頻機(jī)電阻抗方法的固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘損傷檢測數(shù)值仿真。圖1是1/30固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)界面的三維有限元模型。

如圖1所示，固體發(fā)動機(jī)三維有限元模型包括復(fù)合材料殼體、絕熱層、藥柱結(jié)構(gòu)和壓電片，共62 357個(gè)節(jié)點(diǎn)和56 200個(gè)單元。其中，利用SOLID5耦合場單元來模擬PZT片，在PZT片上表面施加正電壓，下表面施加零電壓。壓電片材料參數(shù)如式(3)～式(5)所示，其中[c]為剛度矩陣，[ε]為介電常數(shù)矩陣，[e]為壓電應(yīng)力矩陣。PZT片的密度為ρ=7 550 kg/m3。

(3)

(4)

(5)

利用SOLID46單元模擬復(fù)合材料殼體，厚度2 mm，密度1 540 kg/m3，材料參數(shù)如表1所示。絕熱層和藥柱結(jié)構(gòu)利用SOLID45單元進(jìn)行模擬。絕熱層厚度3mm，材料參數(shù)如表2所示。

表1 復(fù)合材料殼體材料參數(shù)

表2 藥柱結(jié)構(gòu)和絕熱層材料參數(shù)

通用有限元軟件ANSYS中的諧響應(yīng)分析功能用來計(jì)算壓電片在簡諧電壓載荷作用下的阻抗(導(dǎo)納)信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)是典型的高阻尼材料結(jié)構(gòu)，且不同材料阻尼相差很大。為簡單起見，本文數(shù)值仿真中采用Rayleigh 阻尼模型，其表達(dá)式為

(6)

式中α和β分別為質(zhì)量阻尼系數(shù)和剛度阻尼系數(shù)。

仿真中α=0，β取值為1.2×10-7。剛度阻尼系數(shù)在數(shù)值計(jì)算中起主要作用，仿真中β取值較大，以模擬高阻尼的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。

本研究進(jìn)行固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘數(shù)值仿真時(shí)，首先通過模態(tài)分析確定脫粘損傷的敏感頻率段，以避免通過反復(fù)試算盲目選取阻抗譜頻率段的通常做法。模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在93 kHz左右，局部振型在脫粘損傷處有明顯變化。因此，選取數(shù)值仿真的脫粘敏感頻率段為包含93 kHz的較低頻段10～100 kHz。仿真中，模擬了4種界面脫粘工況：(1)無脫粘(完整狀態(tài))；(2)脫粘面積為(5×5) mm2；(3)脫粘面積為(10×10 )mm2；(4)脫粘面積為(20×20 )mm2。

圖2和圖3分別為各種工況下的導(dǎo)納實(shí)部頻譜曲線和損傷指標(biāo)MAPD統(tǒng)計(jì)值。

從圖2和圖3可看出，與無損傷工況下的導(dǎo)納頻譜曲線相比，損傷工況下的導(dǎo)納頻譜曲線存在明顯區(qū)別，界面脫粘導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的局部共振頻率在一些波峰處發(fā)生偏移，且共振頻率點(diǎn)處峰值產(chǎn)生變化。隨著脫粘區(qū)域面積的增大，導(dǎo)納實(shí)部頻譜曲線的差別越明顯，MAPD的值也隨之單調(diào)增大。數(shù)值仿真結(jié)果表明，利用機(jī)電阻抗方法，通過比較健康和損傷狀態(tài)下的導(dǎo)納頻譜曲線，可準(zhǔn)確地識別固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘損傷。在量化表征界面脫粘程度時(shí)，MAPD值隨著界面脫粘程度的增大而單調(diào)增大。

進(jìn)一步探究固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘損傷檢測數(shù)值仿真結(jié)果，由于固體發(fā)動機(jī)是一種高阻尼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，與金屬結(jié)構(gòu)相比，在一個(gè)較大的阻抗掃描頻率范圍內(nèi)，并不會出現(xiàn)密集的共振峰值。對于固體發(fā)動機(jī)的多層界面結(jié)構(gòu)，界面脫粘導(dǎo)致局部阻尼的增加和剛度的減小，這些改變導(dǎo)致了界面結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化。基于高頻機(jī)電阻抗方法，利用粘貼于表面的壓電傳感器測得電阻抗信號，能有效反映發(fā)動機(jī)界面結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化，從而可實(shí)現(xiàn)從殼體外表面對固體發(fā)動機(jī)內(nèi)部界面脫粘進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)監(jiān)測。

3 量化表征脫粘程度實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，模型試件包括幾何參數(shù)為260 mm×220 mm×2 mm的炭纖維復(fù)合材料板、260 mm×220 mm×4mm的絕熱層和200 mm×200 mm×2 mm的丁腈橡膠以模擬推進(jìn)劑材料。1個(gè)PZT傳感器(直徑12 mm，厚度0.6 mm， STEMINC Ltd)和1個(gè)Macro-Fiber Composite (MFC)傳感器(28 mm×14 mm×0.254 mm, Smart Material Corporation) 作為主動傳感器，Agilent 4294A精確阻抗分析儀用于壓電傳感器阻抗(導(dǎo)納)值的測量。

實(shí)驗(yàn)過程中，以丁腈橡膠片與絕熱層之間不同的粘結(jié)面積來模擬固體發(fā)動機(jī)藥柱/絕熱層界面脫粘，共研究了以下4種工況：(1)無脫粘(完整狀態(tài))；(2)脫粘面積為(50×200)mm2，脫粘程度25%；(3)脫粘面積為(100×200 )mm2，脫粘程度50%；(4)脫粘面積為(150×200 )mm2，脫粘程度75%。利用阻抗分析儀施加PZT和MFC傳感器持續(xù)的1 V電壓激勵(lì)，與金屬材料不同，金屬材料通常采用低頻激勵(lì)即10 kHz以下，即能取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，但復(fù)合材料固體發(fā)動機(jī)試件為高阻尼材料，需采用高頻激勵(lì)，以便了解其響應(yīng)情況。因此，選取了一段較高的頻率范圍進(jìn)行研究，掃頻范圍為10～600 kHz，采集電導(dǎo)納信號，信號由實(shí)部和虛部組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用PZT傳感器和MFC傳感器測量，得到各種工況下的導(dǎo)納頻譜曲線，如圖5所示。

從圖5可看出，健康狀態(tài)下的導(dǎo)納頻譜曲線與損傷工況下的導(dǎo)納頻譜曲線存在明顯差異。由于界面脫粘損傷的產(chǎn)生，曲線波峰和波谷處的值發(fā)生顯著的變化。尤其是從圖5(b)可更明顯看出，隨著界面脫粘程度的增大，MFC的導(dǎo)納頻譜曲線呈現(xiàn)出整體往下偏移的趨勢。比較PZT傳感器和MFC傳感器測量得到的導(dǎo)納頻譜曲線，可發(fā)現(xiàn)PZT傳感器與MFC傳感器的共振頻率不同，相同頻率范圍內(nèi)，MFC傳感器的共振頻率點(diǎn)多于PZT傳感器。

從圖5可看出，當(dāng)PZT傳感器的阻抗譜頻率低于180 kHz，MFC傳感器的阻抗譜頻率低于280 kHz時(shí)，4種工況的導(dǎo)納頻譜曲線基本重合，說明低于這些頻率時(shí)，機(jī)電阻抗方法對復(fù)合材料殼體/絕熱層/橡膠材料的模型試件界面脫粘損傷檢測并不敏感。分析原因?yàn)樵嚰哂懈咦枘崽匦裕虼死脵C(jī)電阻抗方法，對高阻尼模型試件進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時(shí)，需要采用高頻激勵(lì)。同時(shí)，可看出PZT傳感器脫粘敏感頻率低于MFC傳感器脫粘敏感頻率，相同的脫粘面積時(shí)，PZT傳感器的損傷指標(biāo)大于MFC傳感器的損傷指標(biāo)。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)界面脫粘損傷識別時(shí)，PZT傳感器比MFC傳感器更加敏感。但MFC傳感器也具有一些內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)，如韌性高等，能夠更好地適用于曲面的固體發(fā)動機(jī)殼體。對于固體發(fā)動機(jī)界面脫粘損傷檢測，由于MFC傳感器能完整地貼合于殼體表面，且相比PZT傳感器，能承受更大的電壓激勵(lì)，探測更大范圍的脫粘損傷，不易受外界環(huán)境影響。所以，進(jìn)行固體發(fā)動機(jī)界面脫粘損傷檢測時(shí)，選用MFC傳感器較好。

實(shí)驗(yàn)研究同樣利用MAPD值，對不同工況下界面脫粘程度進(jìn)行定量分析。圖6為PZT傳感器和MFC傳感器在不同工況下導(dǎo)納頻譜曲線計(jì)算得到的MAPD值。

從圖6可看出，PZT傳感器和MFC傳感器的MAPD值均隨著界面脫粘面積的增大而增大，表明機(jī)電阻抗方法能有效地定量識別復(fù)合材料殼體/絕熱層/橡膠材料試件界面脫粘的趨勢。

需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的導(dǎo)納頻譜曲線并不一致，共振頻率和界面脫粘敏感頻率范圍也不相同。數(shù)值仿真主要是定性地分析機(jī)電阻抗方法檢測固體發(fā)動機(jī)脫粘損傷的可行性，給實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)思路。導(dǎo)致仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差的主要原因?yàn)榉抡鏁r(shí)有限元模型單元尺寸的限制、材料參數(shù)和阻尼模型的選擇等。但數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果共同表明，通過比較不同工況下的導(dǎo)納頻譜曲線，利用高頻機(jī)電阻抗方法，能有效識別固體發(fā)動機(jī)界面結(jié)構(gòu)的脫粘程度；通過分析損傷統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化趨勢，能夠表征試件絕熱層/模擬推進(jìn)劑橡膠材料界面的脫粘程度。因此，數(shù)值仿真和模型試件實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，均可為固體發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)界面脫粘損傷監(jiān)檢測工作在實(shí)際工況下的開展提供理論與技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

(1)以固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘損傷為背景，通過對模擬藥柱/絕熱層界面脫粘的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)，研究了基于高頻機(jī)電阻抗方法進(jìn)行界面脫粘損傷監(jiān)檢測的應(yīng)用效果。界面脫粘損傷的出現(xiàn)，導(dǎo)致導(dǎo)納頻譜曲線共振頻率發(fā)生偏移，波峰值增大，波谷值減小，利用損傷統(tǒng)計(jì)量MAPD對界面脫粘程度進(jìn)行量化表征，MAPD值均隨著界面脫粘面積的增大而單調(diào)增大。結(jié)果表明，利用高頻機(jī)電阻抗方法，能夠有效地對固體發(fā)動機(jī)絕熱層/藥柱界面脫粘進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。

(2)PZT傳感器或MFC傳感器粘貼在固體發(fā)動機(jī)殼體外表面對第三界面脫粘進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測，不需要嵌入傳感器，不影響固體發(fā)動機(jī)原有的結(jié)構(gòu)完整性，具有良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

(3)比較PZT傳感器和MFC傳感器，雖然PZT傳感器比MFC傳感器更加敏感，但對于固體發(fā)動機(jī)界面脫粘損傷檢測，由于MFC傳感器能完整地貼合于殼體表面，且相比PZT傳感器，能承受更大的電壓激勵(lì)，探測更大范圍的脫粘損傷，不易受外界環(huán)境影響。所以，進(jìn)行固體發(fā)動機(jī)界面脫粘損傷檢測時(shí)，選用MFC傳感器較好。

固體發(fā)動機(jī)是高阻尼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致使用PZT傳感器和MFC傳感器測量時(shí)，只對局部區(qū)域內(nèi)的界面脫粘等損傷具有敏感性。因此，進(jìn)一步的研究工作為發(fā)展或組合設(shè)計(jì)出使用大電壓持續(xù)激勵(lì)的阻抗分析儀，以便感知更遠(yuǎn)范圍的界面脫粘。

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(編輯：崔賢彬)

Research on health monitoring of insulator/propellant interface debonding in solid rocket motor

ZHANG Shou-cheng,QU Wen-zhong,XIAO Li

(Department of Engineering Mechanics,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In this research,through piezoelectric sensors which were surface-bonded to the composite case from the outside, piezoelectric electromechanical impedance (EMI) structural health monitoring (SHM) technique was applied to identify the debonding condition of insulator/propellant interface structure using finite element analysis and experimental investigation.Mean absolute percentage deviation (MAPD) based damage index was obtained to quantify the changes in impedance spectrum for different debonding conditions.Numerical and experimental results demonstrate that the EMI technique can be used effectively for detecting the debonding damage in SRM.Compared with other detection method,the EMI technique can realize real-time structural health monitoring.MAPD damage index can quantitatively characterize the level of debonding damage.The MFC sensor is flexible,and more suitable for the curving SRM composite case surfaces than the PZT sensor.The EMI technique is expected to be useful for future application of real SRM's SHM.

solid rocket motor;interface debonding;structural health monitoring;electromechanical impedance technique;finite element analysis;mean absolute percentage deviation

2016-05-24；

2016-11-07。

國家自然科學(xué)基金(51378402)。

張守誠(1993—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。E-mail：zhangshoucheng_93@163.com

V435

A

1006-2793(2017)03-0319-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.009