一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法

1.本发明属于航天低温复合材料技术领域，具体涉及一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法。


背景技术：

2.航天运载器发展水平是代表一国航天能力的核心标志，也是衡量国家综合国力的重要标准之一。轻质化、可重复使用的运载火箭和航天器的发展，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。
3.推进剂贮箱是运载火箭的关键结构之一，它的质量和体积都占据运载火箭极大的比例。因此，实现火箭轻质化首先要实现推进剂贮箱结构轻质化，同样，提高火箭可靠性的第一步也是提高推进剂贮箱可靠性。与金属材料相比，复合材料具有非常高的比强度和比模量；与同等规模的金属材料结构相比，大尺寸复合材料结构在加工与装配工艺上也更有优势。因此，复合材料是制备可重复使用超低温液体推进剂贮箱的首选材料之一。与目前常用的铝-锂合金贮箱相比，在承受5000微应变的前提下，复合材料贮箱将减重30％，同时将成本降低25％。nasa提出了复合材料低温推进剂贮箱发展计划(cctd计划)旨在研究设计低温复合材料液氢/液氧贮箱以替代传统铝合金贮箱。2010年4月20日，使用复合材料贮箱的可重复使用飞行器x－37b试飞成功。近年来，美国spacex公司已经多次试验可重复使用火箭，该公司已研制成功直径为12米的超大尺寸复合材料贮箱。然而，为了进一步提升我国的航天技术水平，急需针对可重复使用飞行器结构的使用需求发展复合材料贮箱结构健康监测系统。
4.结构健康监测技术已经发展了30多年，结构健康监测技术的有效性已被证明，但是针对可重复使用航天低温复合材料贮箱结构的监测问题，还需要解决结构健康监测系统集成问题。贮箱结构比较复杂，需要运用多种数据采集和信号处理手段对贮箱结构的健康状态进行评估，并给出相应的操作决策和维护计划。对于大型工程结构来说，这个过程是十分复杂和困难的，需要传感器管理、数据管理、信号传输和处理、大数据分析并要融合专家经验，因此需要一套集成的系统和方法，处理航天低温复合材料贮箱结构的监测问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题就是提供一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统及方法，采用的技术方案为：
6.一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统，贮箱结构上布设压电传感网络，包括传感阵列模块、数据获取模块、数据处理模块、状态评估模块、数据融合模块和综合决策模块，各模块通过连接线或者无线数据进行信息传输和连接；
7.所述传感阵列模块，包括在线传感单元和离线传感单元，所述在线传感单元为传感与结构一体化设置，布设质量较轻的光纤传感器、温度传感器和压电传感器，光纤传感器
可以获取结构的应力、应变和温度信息，温度传感器可以获取结构的温度信息，压电传感器可以获取冲击信号；所述离线传感单元采用超声c扫、x射线与ct相结合，得到离线多模态信号；
8.所述数据获取模块包括在线信号采集单元，其利用在线信号采集单元获取在线传感单元测量的数据；离线状态时，利用布设于贮箱结构上的压电传感网络和信号采集单元，得到多模态图像；
9.所述数据处理模块包括在线动态数据实时处理和离线数据处理；
10.所述状态评估模块，利用数据处理模块提取出包括应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的处理特征进行状态判定；
11.所述数据融合模块，对整个航天低温液氧复合材料贮箱结构的进行不同时刻的状态信息融合，融合数据处理后的各信号特征和状态评估结果；利用大数据分析与人工智能技术，将数据库平台数据进行统计分析，显示数据的变化趋势曲线；
12.所述综合决策模块，利用数据融合模块传来的信息，通过专家经验驱动主决策和数据驱动系统辅助决策，给出控制操作决策和维护计划制定。
13.一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统的监测方法，采用权利要求1所述的一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统，具体步骤包括：
14.(1)当处于在线状态时，光纤传感器可以获取结构的应力、应变和温度信息，温度传感器可以获取结构的温度信息，压电传感器可以获取冲击信号；当处于离线状态时，离线传感单元采用超声c扫、x射线与ct相结合，得到离线多模态信号；
15.(2)数据获取模块利用在线信号采集单元获取在线传感单元测量的应力、应变、温度、冲击信号和主动导波信号；处于离线状态时，利用布设于贮箱结构上的压电传感网络和信号采集单元，主动导波信号，采用超声c扫、x射线和ct扫描易损位置，得到超声图像、x射线图像和ct图像，得到各检测手段下的多模态图像；
16.(3)所述数据处理模块通过在线动态数据实时处理和离线数据处理，对采集的应力、应变、温度、冲击和主动导波信号进行一维信号和二维信号处理，包括应力信号处理、应变信号处理、温度信号处理、冲击信号处理，主动导波信号处理、超声图像处理、x射线图像处理、工业ct图像处理，并提取信号特征，将处理好的数据和未处理数据，一并存入数据库平台，数据存贮时给数据分类整理；
17.(4)数据处理模块对数据进行处理和分类后，状态评估模块利用数据处理模块提取出的一维信号和二维信号特征进行状态判定，进而结合服役状态评估和离线状态评估实现复合材料贮箱健康状况判定、故障位置识别、故障程度诊断，并将状态评估结果存入数据库平台；
18.(5)数据融合模块融合数据处理后的各信号特征和状态评估结果，利用大数据分析与人工智能技术，将数据库平台数据进行统计分析，显示数据的变化趋势曲线，包括故障预测诊断、结构健康度评价、结构健康度曲线、是否需要报警以及风险分析；
19.(6)数据融合模块将得到的信息输出到综合决策模块，综合决策模块通过专家经验驱动主决策和数据驱动系统辅助决策，得出控制操作决策和维护计划制定。
20.优选的，对应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的一维信号和二维信号处理包
含时域、频域和时频域处理，时域处理提取信号的峰值、方差、平均值、波形指标、脉冲指标，频率处理提取信号均方频率、均方根频率、频率方差和频率标准差等，时频域处理通过小波包分解子频带能量及能量比。
21.优选的，对应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的一维信号和二维信号处理好包括对超声图像、x射线图像和工业ct图像的多模态图像处理，通过多模态图像融合和图像分割提取损伤边界，提取损伤位置信息、损伤面积信息。
22.优选的，所述状态评估模块利用数据处理模块提取出的一维信号和二维信号特征进行状态判定的具体方法为：采用人工神经网络模型、概率成像模型、误差指数的冲击定位模型、结构逆有限元力学模型判定结构状态信息，包含应力异常点、应变异常点、温度异常点、冲击位置和损伤位置初步判定；利用图像分割出的损伤边界信息得到结构损伤程度信息。
23.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
24.本发明提出了一种在线和离线结合的方式，采用多传感、多状态和信息融合模式的低温复合材料贮箱结构健康监测系统体系，实现服役和离线综合状态监测和健康评估，进而采用系统辅助决策和专家经验决策相结合的方式，实现可重复使用航天低温复合材料贮箱的控制操作决策和维护计划制定。
附图说明
25.图1为本发明所述的健康监测系统结构；
26.图2为本发明所述的健康监测系统的监测方法流程图；
27.图3为实施例中的3.35米直径航天低温复合材料贮箱光纤传感器布设情况；
28.图4为实施例中的3.35米直径航天低温复合材料贮箱压电传感器布设方案及导波路线；
29.图5为实施例中测得不同压力下的应变数据；
30.图6为实施例中得出的应变状态评估图；
31.图7为实施例中测得的超声导波信号图；
32.图8为实施例中的超声c扫图；
33.图9为实施例中得出的损伤状态评估图。
具体实施方式
34.附图仅用于示例性说明，仅是为了便于描述本发明和简化描述不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中的某些公知结构及其说明可能省略，以避免不必要地混淆本发明的概念，因此不能理解为对本发明的限制。
35.也应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
36.如图1所示，一种可重复使用的航天低温液氧复合材料贮箱结构的健康监测系统，贮箱结构上布设压电传感网络，包括传感阵列模块、数据获取模块、数据处理模块、状态评估模块、数据融合模块和综合决策模块，各模块通过连接线连接，或者通过无线数据进行信息传输和连接；
37.所述传感阵列模块，包括在线传感单元和离线传感单元，所述在线传感单元为传感与结构一体化设置，布设质量较轻的光纤传感器、温度传感器和压电传感器，光纤传感器可以获取结构的应力、应变和温度信息，温度传感器可以获取结构的温度信息，压电传感器可以获取冲击信号；所述离线传感单元采用超声c扫、x射线与ct相结合，得到离线多模态信号；
38.所述数据获取模块包括在线信号采集单元，其利用在线信号采集单元获取在线传感单元测量的数据；离线状态时，利用布设于贮箱结构上的压电传感网络和信号采集单元，得到多模态图像；
39.所述数据处理模块包括在线动态数据实时处理和离线数据处理；
40.所述状态评估模块，利用数据处理模块提取出包括应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的处理特征进行状态判定；
41.所述数据融合模块，对整个航天低温液氧复合材料贮箱结构的进行不同时刻的状态信息融合，融合数据处理后的各信号特征和状态评估结果；利用大数据分析与人工智能技术，将数据库平台数据进行统计分析，显示数据的变化趋势曲线；
42.所述综合决策模块，利用数据融合模块传来的信息，通过专家经验驱动主决策和数据驱动系统辅助决策，给出控制操作决策和维护计划制定。
43.所述的健康监测系统的监测方法按照图2的流程图进行。如图2所示，能以直径3.35米航天低温复合材料贮箱为例，所用的复合材料贮箱为轴对称旋转薄壳结构，包括贮箱主体和法兰两部分。其中，贮箱主体由上下椭球底壳和圆柱直筒壳组成，其模具外表面最大直径为3380mm，最大高度为2544.24mm，其中筒段长度为458mm，上下底均为1/2椭球面，椭球面长轴长3380mm，短轴长2086.24mm。
44.(1)先在贮箱上布设各传感器，即为所述系统中的传感阵列模块，为3.35米直径航天低温复合材料贮箱结构健康监测的在线传感单元布设图，贮箱主要承受内压载荷，压力容器的应变监测主要监测轴向应变和环向应变，光纤传感器布设方案如图3所示，对于轴向应变，直筒段结构简单、布设方便，因此在直筒段设计整个环向的监测路径；对于上弧段和下弧段，采用区域蛇形布设的形式，在重点监测区域布设一段光纤传感器用于反映个部分环向应变的变化情况。如图4(a)所示为压电传感器布设方案，监测区域为筒段中段部分区域，通过环氧树脂胶将压电夹层布置在该区域，一共布设64个传感器，如图4(b)所示为相应的导波传播路径。光纤传感器和压电传感器，可以实时获取实现应力、应变、温度和冲击导波信号；离线传感单元采用超声c扫、x射线与ct相结合，可以得到离线多模态信号。
45.(2)利用布设好的传感器网络和信号采集系统进行数据获取，利用在线信号采集单元获取在线传感器测量数据，如图5所示为不同压力下的应变数据，可以看出，在0.05mpa内压下，监测区域的最大应变位置，出现了一处较大的应变突变情况(即圆圈中放大的部位)。将在线测得的数据进行三维重构，可以得到图6，从图6可以看出，在内压载荷下应变数值在很小范围内由正值最大变为负值最大，该处出现的这种现象很有可能是由于该处结构异常导致的，在后续的试验中应重点关注。同时在路径应变云图中可找到其相应位置，直观展现了异常点在贮箱上的位置。
46.当处于离线状态时，利用布设于结构上的压电传感网络和信号采集单元采集主动导波信号，采用超声c扫、x射线和ct扫描易损位置，得到超声图像、x射线图像和ct图像，从
而得到多种检测手段下的多模态图像。通过离线状态下的数据，可以得到不同的一维和二维信号，如图7为结构在有损和无损状态下的一维超声导波信号，健康信号为无损条件下的得到的信号，有损信号为结构有损情况下采集的信号，散射信号是有损信号与健康信号相减得到的信号。如图8所示，是利用超声c扫得到的二维图像信号，图中标的位置为离线检测到的损伤位置。
47.(4)对获取的信号进行信号处理，对应力、应变、温度、冲击和主动导波信号的一维和二维信号处理包含时域、频域和时频域处理，时域处理提取信号的峰值、方差、平均值、波形指标、脉冲指标等，频率处理提取信号均方频率、均方根频率、频率方差和频率标准差等，时频域处理通过小波包分解子频带能量及能量比。对超声图像、x射线图像和ct图像等多模态图像处理，通过多模态图像融合和图像分割提取损伤边界，提取损伤位置信息、损伤面积信息。如图9所示，图中圈出的位置为处理得到的损伤位置。
48.在此过程中，对采集的数据进行提取信号特征和未处理数据，一并存入数据库平台，数据存贮时给数据分类整理，加详细的数据标签，此时存入的数据为事实性数据，以便后续应用于大数据分析。
49.(5)进行状态评估，利用数据处理模块提取出的一维和二维信号特征进行状态判定，采用人工神经网络模型、概率成像模型、误差指数的冲击定位模型、结构逆有限元力学模型判定结构状态信息，包含应力异常点、应变异常点、温度异常点、冲击位置和损伤位置初步判定。通过评估图可以确定损伤所在的位置。结合服役状态评估和离线状态评估实现复合材料贮箱健康状况判定、故障位置识别和故障程度诊断。将状态评估结果存入数据库平台，此时存入的数据为预测型数据。
50.(6)进行数据融合，对得到的状态评估结果进行信息融合，融合数据处理后的各信号特征和状态评估结果，利用大数据分析与人工智能技术，将数据库平台数据进行统计分析，显示数据的变化趋势曲线，包括故障预测诊断、结构健康度评价、结构健康度曲线、是否需要报警以及风险分析。如表1所示，为健康状态评价表。当健康状态较差(低于60时)，评估系统将发出预警，提示贮箱异常，实现贮箱的实时监测预警。
51.表1健康度评价指标
52.等级健康状态评估指标v1良好v≥80％2较好60≤v《80％3一般40≤v《60％4较差20≤v《40％5危险v《20％
53.(7)进行综合决策，将数据融合模块得到的信息输出到综合决策模块，在综合决策模块要结合综合考虑两方面因素，一个是数据驱动的系统辅助决策，一个是专家经验驱动的主决策，最后给出最终的控制操作决策和维护计划制定。
54.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，如果没有具体说明连接方式，均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.如果没有特别说明，所采用的数据处理、分析用的软件、系统、工具采用的都是已知处理工具，本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，或者根据图示进行订制，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，其他未述及的地方同现有技术。
56.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
57.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。