基于超声导波的复合材料贮箱状态监测与寿命评估技术

Monitoring the health condition and residual life of the propellant tank is an important measure for retaining safety of a reusable launch vehicle (RLV). In this project, a combination of experimental study and numerical simulation will be used to investigate a guided wave based health condition monitoring and lifetime prediction method for the composite tank. Firstly, the failure modes and damage feature of composite tank structure will be discussed. Secondly, combining experimental study and numerical simulation, the propagation characteristics of guided waves in the composite tank will be explored, the signal effect which caused by the damage and loading will be analyzed, and damage identification and loading monitoring method will be presented. Finally, the fatigue life assessment model will be modified base on the test result, a condition-based structure residual life assessment method will be proposed. This project is of significant theoretical value, and more importantly, it can provide the basis for the design and development of the cryogenic composite tank.

摘要：监测推进剂贮箱的健康状态与剩余寿命是可重复使用火箭服役安全性的重要保证。本项目拟采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的思路，研究基于超声导波的复合材料贮箱结构状态监测与寿命评估方法。主要研究内容有：（1）结合数值分析与实验研究，分析复合材料贮箱典型构件失效模式、损伤特征及其演化规律；（2）根据数值分析和实验研究结果，探索超声导波在贮箱典型构件中的频散特性与传播特征，分析损伤与载荷引起的导波传播特性变化，并提出贮箱复杂构件损伤识别与受载状态监测方法；（3）根据结构状态，修正疲劳寿命评估模型，提出基于结构状态的复合材料贮箱复杂构件剩余寿命评估方法。本项目不仅具有重要的理论意义，更将为低温复合材料贮箱的设计和研发提供依据。

轻质化、可重复使用的运载火箭和航天器的发展水平，对提升我国自主进入空间、载人航天和空间服务等核心能力具有重要的战略意义。本课题针对复合材料贮箱状态监测与寿命评估技术中，“如何基于结构能量响应实现贮箱结构损伤状态的定量化监测”和“如何建立基于结构损伤状态的复合材料贮箱结构疲劳寿命评估模型”两个关键问题进行研究。基于数值分析与实验结果建立了损伤尺寸-剩余寿命模型。根据理论与实验结果进行了复杂结构损伤诊断Lamb模态选择并设计了传感器及其网络布置形式。提出了一种阻抗和Lamb波综合结构健康监测策略。该策略利用基于阻抗的状态感知方法感知环境变化，在大面积扫描前对损伤进行预警，并对传感器进行自诊断。提出了基于分位数随机森林和SOM神经网络的热防护系统损伤诊断策略。借助高密度物理场信息分析分布式光纤网络的应变数据，并对结构剥离和裂纹损伤进行定位和分类。该方法不仅能够检测到损伤的存在，而且能够定位和估计损伤的程度，从而为诊断提供合适的决策依据。