加筋板中超高速撞击声发射源定位方法

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1、第28卷第5期航天器环境工程201I，1il0月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING409加筋板中超高速撞击声发射源定位方法庞宝君1，张凯1，刘武刚2，林敏1(1．哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心，哈尔滨150080；2．北京强度环境研究所，北京100076)摘要：加筋板是航天器上的常用结构。为研制基于声发射技术的在轨感知系统，需要研究加筋板中声发射波传播规律及撞击源定位方法。文章测定了断铅信号在加筋板中的传播速度，对沿不同方向传播的波速进行了比较；通过有限元仿真，研究了筋体几何尺寸对板中声发射信号

2、传播规律的影响。试验与仿真的结果表明：筋体对信号压缩波波速影响较小，但会造成信号第一幅值的衰减，在传感器布局设计时需要考虑到该因素。将加筋板中声发射信号传播速度取为沿不同方向传播波速的平均值，可将源定位问题转化成求取函数最小值的优化问题，在加筋板上对断铅波源和超高速撞击波源进行定位效果较好．关键词：声发射；加筋板；源定位；超高速撞击中图分类号：V520．7；V448．15文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)05-0409-05DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2011．05．001O引言随着

3、人类空间活动的增多，空间碎片环境日益恶化，已经严重威胁到航天器的在轨安全运行。为了能够实时监控空间碎片撞击航天器事件，人们提出了多种在轨感知技术方案。其中，利用声发射技术对撞击事件进行感知定位受到重视并进行了研究[1-3

4、。目前，时差定位方法是对声发射源进行定位的常用方法。该方法通过判断信号到达不同位置的传感器所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源位置【4j。刘武刚和唐颀[5-71利用时差定位方法对空间碎片撞击铝合金板的定位问题进行了研究，FrankSchafer及RolfJanovskytS]研究了弹丸撞击铝合金板及蜂窝铝合

5、金板的源定位方法。为了减轻航天器重量，又保证具有足够的强度，铝合金加筋板成为航天器上广泛应用的结构19J。应用时差定位方法对声发射信号源进行定位，需要了解声发射信号在介质中的传播速度。由于加筋使结构变得非均匀，板中声发射波传播规律相对于平板会发生变化。为了研制基于声发射技术的在轨感知系统，需要研究筋体对声发射信号传播规律的影响，以及如何利用时差定位方法对撞击位置进行定位。1加筋板中的波速为了对撞击源位置进行判断，需要确定板中信号的传播速度。板状结构受到超高速撞击后主要存在两种模式的波：压缩波和弯曲波【『71。图l为直径3．2mlTl

6、的铝弹丸以1．096km／s的速度撞击铝合金平板时，距波源150mm处传感器获取的信号。可以看出，压缩波的传播速度快于弯曲波。图l典型超高速撞击声发射信号F培1Typicalacousticemissionsignalofhypervelocity呻act利用时差定位方法对声发射源进行定位时，需要判断信号到达每个传感器的时刻。而信号到达时刻一般是通过信号超过预先设定的阈值进行判断，因此需要重点研究加筋板中压缩波的波速。根据经收稿日期：201I-04．29；修回日期：2011-05．01基金项目：国防科工局空间碎片专题项目(编号：KJ

7、SP2005—0206，07202)作者简介：庞宝君(196卜)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为空间碎片超高速撞击及航天器防护技术。通信作者：张凯(1984一)，男，博士研究生，从事空间碎片环境中航天器在轨健康监测；E-mail：bluerobbin@,163．gom．410航天器环境工程第28卷典板波理论，平板中压缩波波速为ce=【E／(1一V2)p】“2-(1)式中：E为杨氏模量；矿为泊松比；P为材料密度。弯曲波的波速是频散的，其表达式为c，一【D／肋rCO“2，(2J式中：D：1Ek，／f1一P2、：h为板厚度：国为波动

8、12圆频率。上述公式应用对象为平板。由式(1)、(2)可以看出，平板中压缩波波速不受板厚影响，未包含频率成分。但根据高阶板波理论可知，压缩波也是存在频散的。对于加筋板，筋体是否对波速有影响，需要通过试验测定。由于断铅信号与超高速撞击引起的声发射信号模态成分相似‘”】，可以利用在5A06铝合金加筋板上的断铅试验来进行波速测定。加筋板试件尺寸为500mrnx500mm，板厚5toni，筋体宽5mm，高5real，筋体间距100mm，如图2所示。在板上，利用断铅产生声发射信号，按图中示意方向等间距(间距100mm)地布置传感器(图中只在0

9、0直线方向标出传感器)测定波速。选用泛美(Panametrics)公司的V182传感器。筋体对撞击产生的声发射信号传播规律的影响，利用有限元软件Autodyn．2D进行数值仿真。刘武刚和唐颀分别利用SPH算法和Lagrange算法对超