航天器结构连接损伤识别的混沌导波方法

Facing the urgent engineering need to fast detect joint damage for new-generation spacecrafts and the technical challenge to identify the local, nonlinear and small extent joint damage, the proposal presents a new damage identification method which integrates the advantages of active ultrasonic guided wave detection and nonlinear dynamics-based damage identification. In this method, chaotic ultrasonic guided waves are used to excite structures, and nonlinear time series analysis tools are used to extract damage features from measured time histories, then statistical pattern recognition is used to quantitatively identify the damage existence,location and extent. It well integrates the guided wave for widely detection and sensitively to small extent damage and the nonlinear dynamics-based damage identification for nonlinear jointed structures. The research mainly contents four sections: (1)Chaotic ultrasonic wave creation, excitation and signal acquisition;(2)Nonlinear wave dynamics modelling of bolted joints and acoustic field analysis;(3) Extraction damage feature parameters for damage identification with high sensitivity;(4) Building the relation of the damage patterns and feature parameters for typical bolted joint damage.

针对新概念航天器对结构连接损伤快速识别的工程需求和因连接损伤具有局部性、非线性和小量级的特点而难以进行检测的技术挑战，立足前期研究，本项目提出了将主动超声导波检测技术与基于非线性动力学理论的损伤识别方法相结合的学术思想，以航天器结构中最为普遍的螺栓连接结构为研究对象，探索建立一种利用具有混沌特征的超声导波主动激励待测结构，根据测取的结构波动力响应信息，应用非线性动力学工具提取表征损伤的特征参量从而进行连接损伤识别的新方法。该方法的创新点是充分融合了导波检测范围大、超声波对小量级损伤敏感的优点以及基于混沌激励和非线性时间序列分析的结构损伤识别方法对固有非线性结构适应性强的特点。研究内容包括四部分：（1）混沌超声导波的生成、激励与信号获取；（2）连接结构的波动力学建模和典型损伤模式下的声场特性研究；（3）构造表征典型连接损伤的高灵敏度特征参量；（4）典型螺栓连接损伤模式与特征参数映射关系研究。

针对新概念航天器对结构连接损伤快速识别的工程需求和因连接损伤具有局部性、非线性和小量级的特点而难以进行检测的技术挑战，本项目立足主动超声导波检测技术与连接结构非线性动力学，以航天器结构中最为普遍的螺栓连接结构为研究对象，探索建立一种利用超声导波主动激励待测结构，根据测取的结构波动力响应信息，结合非线性动力学分析来提取表征损伤的特征参量从而进行连接损伤识别的新方法。该方法充分融合了导波检测范围大、超声波对小量级损伤敏感的优点以及基于非线性动力学的结构损伤识别方法对固有非线性结构适应性强的特点。项目开展了四个方面的研究：一是连接界面混沌超声导波的生成、激励与信号获取，建立了一种采用正弦调制生成混沌超声导波的方法，搭建了基于超声导波对连接结构进行损伤识别的实验研究平台；二是重点开展了连接结构的波动力学建模和典型损伤模式下的声场特性研究，建立了一系列表征连接界面非线性力学行为的模型，发展了用于模拟结构中弹性波传播的时域谱单元方法，利用所建立的力学模型，研究了连接结构的动力学和波传播特性；三是研究了表征典型连接损伤的高灵敏度特征参量，分别基于弹性波传播理论和非线性动力学理论，基于对连接界面的非线性力学建模和动力学响应模型，建立了多种表征连接损伤的特征参量；四是研究了典型螺栓连接损伤模式与特征参数映射关系，采用实验和数值模拟的手段，建立了不同损伤量级下特征参量的数据库，形成了针对典型连接损伤进行定量化识别的方法。项目的研究从导波检测、连接结构的声场特性、数据处理和分析、损伤模式识别等方面推动了航天器螺栓连接结构健康监测方法的发展，为新概念航天器技术的发展提供了有力支撑。