一种固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测方法

技术领域

本发明属于固体火箭发动机结构健康监测领域，尤其涉及一种固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测方法。

背景技术

固体火箭发动机是各种导弹武器的动力装置，人工脱粘层是在发动机壳体前后封头特定部位的绝热层之间预先设计的应力释放结构，主要功用是降低发动机药柱内孔、药柱粘接界面等部位的应力应变水平，从而保持药柱结构的完整性。在药柱的浇注、脱模降温、固化及贮存等过程中，人工脱粘层均可能发生根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘损伤。原位有效地监测人工脱粘层的界面状态对保障固体发动机的完整性具有重要的意义。在固体火箭发动机生产、长期贮存过程中，用于人工脱粘层根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘损伤的监检测技术尚未出现。

发明内容

本发明提出了一种固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测方法。

本发明系统的技术方案为固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测系统，包括：计算机、信号激励装置、信号采集装置、压电晶片；

所述计算机安装实时监测表征软件系统；

所述的计算机、信号激励装置、压电晶片依次连接；所述信号激励装置与所述信号采集装置连接；所述压电晶片与所述信号采集装置连接；所述信号采集装置与所述计算机连接；

将所述压电晶片与人工脱粘层的根部相耦合；

所述固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过所述计算机安装的实时监测表征软件系统，设置采样频率为f

步骤2：通过多个频率点构建频率数据集，所述计算机将多个频率传输至所述信号激励装置，所述信号激励装置根据每个频率依次输出不同频率的正弦波信号至所述压电晶片，所述信号激励装置根据每个频率依次输出不同频率的正弦波信号至所述信号采集装置，所述压电晶片根据每个频率的正弦波信号产生机械振动且进一步与人工脱粘层发生相互作用，根据高频局部振动响应产生每个频率的机械振动耦合信号，每个频率的机械振动耦合信号通过所述压电晶片传输到所述信号采集装置，所述采集装置将每个频率的机械振动耦合信号通过模数转换得到每个频率的机械振动数字信号，所述采集装置将每个频率的正弦波信号通过模数转换得到每个频率的正弦波数字信号，将每个频率的正弦波数字信号通过快速傅里叶变换得到每个频率的正弦波频域信号，每个频率的机械振动数字信号进一步通过快速傅里叶变换得到每个频率的机械振动频域信号，通过每个频率的正弦波频域信号、每个频率的机械振动频域信号根据高频局部振动响应公式得到一维数组，结合一维数组进一步计算高频局部振动响应信号数据集；

步骤3：重复步骤2测试多次，得到多组测试的高频局部振动响应信号数据集；

步骤4：根据多组测试的高频局部振动响应信号数据集，计算损伤指标均方根偏差，将损伤指标均方根偏差与损伤指标阈值比较进一步判断人工脱粘层的状态；

作为优选，步骤2所述多个频率点为：

F＝{F

F

i∈[0,K]

其中，F表示频率数据集，f

步骤2所述信号激励装置根据每个频率依次输出正弦波信号，具体为：

所述信号激励装置根据F

步骤2所述每个频率的正弦波频域信号，具体定义为：

其中，

步骤2所述每个频率的机械振动频域信号，具体定义为：

其中，

根据高频局部振动响应(Local vibration response)公式得到一维数组：

L(F

j∈[1,N]，i∈[0,K]

式中，L(F

步骤2所述计算高频局部振动响应信号数据集，具体为：

C

i∈[0,K]

其中，L表示高频局部振动响应信号数据集，

作为优选，步骤3所述多组高频局部振动响应信号数据集，定义为：

data＝{L

C

i∈[0,K]，x∈[1,M]

其中，L

作为优选，步骤4所述计算损伤指标均方根偏差，具体为：

y∈[2,M]

式中，

步骤4所述将损伤指标均方根偏差与损伤指标阈值比较进一步判断人工脱粘层的状态，具体过程为：

若RMSD(y)小于等于损伤指标阈，则表示人工脱粘层未发生根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘；

若损RMSD(y)大于损伤指标阈，则表示人工脱粘层发生根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘。

本发明优点在于，能够实现对人工脱粘层根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘的原位、实时、在线、长期监测。

附图说明

图1是本发明中实验装置和过程示意图；

图2是本发明实施例中人工脱粘层的监测结果图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的具体实施方式为一种固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测方法。

如图1所示，本发明固体火箭发动机人工脱粘层界面脱粘的健康监测系统包括：计算机、信号激励装置、信号采集装置、压电晶片；

所述计算机安装实时监测表征软件系统；

所述的计算机、信号激励装置、压电晶片依次连接；所述信号激励装置与所述信号采集装置连接；所述压电晶片与所述信号采集装置连接；所述信号采集装置与所述计算机连接；

将所述压电晶片与人工脱粘层的根部相耦合。

1是一组压电晶片，2是固体火箭发动机壳体，3是人工脱粘层的底层，4是信号激励装置，5是信号采集装置，6是人工脱粘层的盖层，7是衬层，8是计算机，9是药柱。

所述计算机型号为HP EliteDesk 800 G4 WKS TWR；

所述信号激励装置型号为Agilent 33522A；

所述信号采集装置型号为Agilent DSO-X 3014A；

所述压电晶片型号为PZT-5；

所述人工脱粘层健康监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过所述计算机安装的实时监测表征软件系统，设置采样频率为f

步骤2：通过多个频率点构建频率数据集，所述计算机将多个频率传输至所述信号激励装置，所述信号激励装置根据每个频率依次输出不同频率的正弦波信号至所述压电晶片，所述信号激励装置根据每个频率依次输出不同频率的正弦波信号至所述信号采集装置，所述压电晶片根据每个频率的正弦波信号产生机械振动且进一步与人工脱粘层发生相互作用，根据高频局部振动响应产生每个频率的机械振动耦合信号，每个频率的机械振动耦合信号通过所述压电晶片传输到所述信号采集装置，所述采集装置将每个频率的机械振动耦合信号通过模数转换得到每个频率的机械振动数字信号，所述采集装置将每个频率的正弦波信号通过模数转换得到每个频率的正弦波数字信号，将每个频率的正弦波数字信号通过快速傅里叶变换得到每个频率的正弦波频域信号，每个频率的机械振动数字信号进一步通过快速傅里叶变换得到每个频率的机械振动频域信号，通过每个频率的正弦波频域信号、每个频率的机械振动频域信号根据高频局部振动响应公式得到一维数组，结合一维数组进一步计算高频局部振动响应信号数据集；

步骤2所述多个频率点为：

F＝{F

F

i∈[0,K]

其中，F表示频率数据集，f

步骤2所述信号激励装置根据每个频率依次输出正弦波信号，具体为：

所述信号激励装置根据F

步骤2所述每个频率的正弦波频域信号，具体定义为：

其中，

步骤2所述每个频率的机械振动频域信号，具体定义为：

其中，

根据高频局部振动响应(Local vibration response)公式得到一维数组：

L(F

j∈[1,N]，i∈[0,K]

式中，L(F

步骤2所述计算高频局部振动响应信号数据集，具体为：

C

i∈[0,K]

其中，L表示高频局部振动响应信号数据集，

步骤3：重复步骤2测试多次，得到多组测试的高频局部振动响应信号数据集；

步骤3所述多组高频局部振动响应信号数据集，定义为：

data＝{L

C

i∈[0,K]，x∈[1,M]

其中，L

步骤4：根据多组测试多的高频局部振动响应信号数据集，计算损伤指标均方根偏差，将损伤指标均方根偏差与损伤指标阈值比较进一步判断人工脱粘层的状态；

步骤4所述计算损伤指标均方根偏差，具体为：

y∈[2,M]

式中，

步骤4所述将损伤指标均方根偏差与损伤指标阈值比较进一步判断人工脱粘层的状态，具体过程为：

若RMSD(y)小于等于损伤指标阈，则表示人工脱粘层未发生根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘；

若损RMSD(y)大于损伤指标阈，则表示人工脱粘层发生根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘。

设置两种实验工况，人工脱粘层分别处于未脱粘和脱粘状态。通过压电晶片采集信号，得到两种工况下压电晶片的高频局部振动响应曲线。所述压电晶片的高频局部振动响应曲线以高频局部振动响应信号的形式被保存。所述高频局部振动响应信号由压电晶片采集并保存。

如图2所示，比较两种工况的高频局部振动响应曲线的形状，并以未脱粘时的高频局部振动响应信号为基准，根据均方根偏差(RMSD)计算公式，得到脱粘状态的损伤指标RMSD值。

对压电晶片的高频局部振动响应曲线进行分析。与未脱粘时的曲线相比，脱粘状态下曲线的局部共振频率在一些波峰处发生偏移，相应的峰值也有变化，且RMSD值高达41.63％，这说明本发明可以有效检测到人工脱粘层根部撕裂、底层界面脱粘、盖层界面脱粘损伤。本发明运用计算机、信号激励装置、信号采集装置、压电晶片组成监测系统，利用高频局部振动法实现了对人工脱粘层的原位、实时、在线、长期监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。