基于EMI技术的固体导弹发动机结构脱粘在线监测方法研究

At present, there is no effective online debonding monitoring method for solid rocket motor.In order to solve the problem, this project introduces the electro-mechanical impedance (EMI) method into online debonding monitoring for solid rocket motor. Electro-mechanical coupling mechanism between PZT transducers and solid rocket motor is analyzed and the EMI model of PZT-motor systems is developed, which has built up the theoretical foundation of debonding detection of solid rocket motor.To develop a method finding the suitable EMI frequency, the paper analyzes the major factors which affect the sensitivity of driven frequency to damage , and has deduced the relation-model between the driven damage-sensitive frequency and the major factor using dimensional analysis, Then, the method quantifying the debonding extent to a scale based EMI signatures is studied, the relation between the scale and the degree and position of damage is established, and based on optimising the PZT trancducer arrays distribution,the method to quantify the degree and the position of damage has been realized using multi-sensor date fusion. The expected results of this project not only can build up the theoretical and methodological foundation for online debonding monitoring of solid rocket motor, but can be applied to the debonding detection of adhesive structure in aerospace area. The application prospect is very extensive.

为了解决当前固体导弹发动机脱粘损伤没有在线监测手段的难题，本项目将压电阻抗（Electro-mechanical impedance，EMI）方法引入到导弹发动机脱粘损伤在线监测中。研究压电片与发动机粘接结构的力电耦合作用机理，建立基于EMI技术的发动机脱粘损伤检测模型，为EMI技术应用于发动机脱粘损伤监测提供理论依据；分析基于EMI技术的损伤检测敏感频率的主要影响因素，通过量纲分析方法建立损伤检测敏感频率与影响因素之间的关系模型，解决确定压电阻抗法检测频率这一应用基础问题；研究基于压电阻抗信号的脱粘损伤程度量化表征方法，建立表征量与损伤程度和损伤距离之间的关系模型，在优化压电片阵列布局的基础上，采用多传感信息融合技术研究脱粘面积和脱粘位置的识别方法。拟取得的成果不仅可以为导弹发动机脱粘损伤在线监测提供理论和方法基础，而且还可以应用于航空航天领域中的粘接结构脱粘损伤检测，应用前景非常广泛。

固体导弹发动机各界面脱粘常见多发，但其检测一致以来都是研究的难点，本课题基于压电阻抗（Electro-mechanical impedance，EMI）技术实现了粘接结构一、二、三界面的脱粘检测，通过研究得出，脱粘损伤前后不仅特征频率、电导纳实部/虚部峰值会发生变化，而且其统计学量也会发生较大改变。本课题首先分析了脱粘产生的原因和类型；考虑压电智能结构的机电耦合效应及粘接层的层间剪力作用，建立了一维、二维EMI响应模型；研究得出影响脱粘检测敏感频率的主要影响因素，包括几何属性（结构厚度和曲面弧度影响）、物理属性（密度、弹性模量和泊松比）和环境属性（主要是受温度影响），采用控制变量法对各主要影响因素与敏感频率之间的关系分别进行了实验和仿真分析；通过ANSYS压电模块仿真研究了结构动力学参数（应力常数矩阵、刚度常数矩阵和阻尼）对压电片电阻抗信号的影响规律；对实验检测和仿真模拟得到的电导纳谱进行特征提取和统计学分析，建立了可敏感表征结构脱粘损伤的损伤指数—均方根差（RMSD）、平均绝对偏差（MAPD）、相关系数（CC）和协方差（Cov），其中RMSD和MAPD随着损伤的增大而增大，CC值随之单调减小，而Cov值没有明显的变化规律；通过对航天标准件的脱粘检测结果进行分析，验证了该方法对于固体火箭发动机这种含大阻尼材料的脱粘检测的可用性、可靠性；对不同材料及结构的大型试件上布置的压电片阵列脱粘检测结果分析综合，发现对于不同位置、不同大小的脱粘损伤而言，损伤指数RMSD具有明显规律，与脱粘位置呈负相关关系，与脱粘程度正相关，因此得出该损伤检测方法可广泛适用于各类结构的脱粘定量在线监测；研制了基于STM32开发板、AD5933和移动电源的小型简易弹上阻抗测量装置，可进行弹上结构电阻抗的测量以表征结构健康状态。