【摘要】：空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重威脅著航天器尤其是載人航天器的在軌運(yùn)行安全。為了實(shí)時監(jiān)測空間碎片撞擊航天器事件，人們提出了多種在軌感知技術(shù)方案。其中，采用聲發(fā)射技術(shù)對撞擊事件進(jìn)行撞擊源定位，逐漸受到人們的重視。平板、加筋板及焊接板等為載人航天器中常用的承力結(jié)構(gòu)，因此，如何通過布置較少的傳感器，實(shí)現(xiàn)對較大范圍內(nèi)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲發(fā)射源定位，便成為了一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。 目前，對于鋁合金平板，國內(nèi)外在其受空間碎片撞擊的聲發(fā)射源定位進(jìn)行了較多的研究，并且能夠在小尺度條件下比較準(zhǔn)確的確定撞擊源位置，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸的限制，尚未進(jìn)行大尺度條件下超高速撞擊聲發(fā)射源定位試驗(yàn)。對于加筋板及焊接板，由于筋體及焊縫的存在，聲發(fā)射信號通過筋體及焊縫時會發(fā)生反射、透射等現(xiàn)象，聲發(fā)射信號傳播規(guī)律會發(fā)生較大變化。因此，需要定量分析筋體及焊縫對聲發(fā)射信號在結(jié)構(gòu)中傳播規(guī)律的影響，并獲取聲發(fā)射源定位有效距離。 在此背景下，本文主要針對平板、加筋板及焊接板等載人航天器中常用的典型結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬技術(shù)分別獲取其受空間碎片產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并分析了聲發(fā)射信號在其中的傳播規(guī)律，最終得到了聲發(fā)射源定位有效距離。在本文的工況范圍內(nèi)，主要得到以下結(jié)論： 首先，較為詳細(xì)的分析了聲發(fā)射信號在平板中的傳播規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，分別建立了表征S0模態(tài)第一峰值遠(yuǎn)場和近場的衰減規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。本文研究結(jié)果表明，可以將S0模態(tài)第一峰值衰減規(guī)律分為遠(yuǎn)場和近場兩種情況，根據(jù)線性聲學(xué)理論，采用指數(shù)模型對遠(yuǎn)場衰減進(jìn)行了曲線擬合，發(fā)現(xiàn)了衰減指數(shù)與傳播距離成近反比關(guān)系，因此，引入了等效衰減指數(shù)概念，得到了其與傳播距離的關(guān)系，并改進(jìn)了原模型，發(fā)現(xiàn)用該模型表征遠(yuǎn)場衰減規(guī)律具有較高的匹配度和良好的預(yù)測性。對于近場衰減，本文提出了能量波陣面概念，認(rèn)為能量以波陣面形式傳播，對于各向同性材料，假設(shè)能量均勻分布在波陣面上，忽略能量傳遞損失，得到了近場衰減數(shù)學(xué)模型。 第二，研究了筋體對聲發(fā)射信號在加筋板中傳播特性的影響，提出了S0模態(tài)第一峰值通過筋體后衰減程度的表征方式，并獲得了筋體特征參數(shù)與S0模態(tài)第一峰值衰減程度的定量關(guān)系。S0模態(tài)第一峰值通過筋體后與相同工況條件下平板中同一位置相比會出現(xiàn)衰減，為了表征這種衰減程度，本文提出了過筋衰減系數(shù)概念，即同一位置加筋板中S0模態(tài)第一峰值與平板之比，并選取不同位置所獲得的衰減系數(shù)作為衰減程度的表征參數(shù)。相對于筋體參數(shù)中的筋寬和數(shù)量，筋高、位置及間距對衰減程度影響較小。因此，可以認(rèn)為筋體對衰減程度影響主要取決于筋寬和筋體數(shù)量。隨著筋寬的增加衰減程度逐漸增大，但二者不成線性關(guān)系；對于同一種材料及相同結(jié)構(gòu)尺寸的筋體，隨著數(shù)量的增加衰減程度逐漸增大，但二者并不滿足線性關(guān)系；同時，相同寬度和高度的兩根筋體對衰減程度影響小于相同高度的、寬度為兩根筋體之和的一根筋體的影響。 第三，重點(diǎn)研究了焊縫材料對聲發(fā)射信號在焊接板中傳播規(guī)律的影響，并最終獲得了由到達(dá)時刻、波速及S0模態(tài)第一峰值決定的加筋板聲發(fā)射源定位有效距離確定方法。本文研究結(jié)果表明，相對于筋體，焊縫對板波模態(tài)及模態(tài)特征參數(shù)在結(jié)構(gòu)中變化規(guī)律的影響都較小，同時，由于航天器常用結(jié)構(gòu)中焊縫數(shù)量一般遠(yuǎn)少于筋體數(shù)量，所以，可以忽略焊縫對聲發(fā)射源定位有效距離的影響，因此，，聲發(fā)射源定位有效距離主要取決于筋體數(shù)量，隨著筋體數(shù)量的增加，有效定位距離減小。 本文的研究成果進(jìn)一步為空間碎片在軌感知系統(tǒng)聲發(fā)射傳感器的布局奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價值。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：V528

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本文編號：2383138