低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測：技術(shù)、挑戰(zhàn)與創(chuàng)新策略一、引言1.1研究背景與意義在航天、能源等眾多領(lǐng)域，低溫復(fù)合材料貯箱發(fā)揮著舉足輕重的作用，是實現(xiàn)高效能源存儲與運輸?shù)年P(guān)鍵裝備。在航天領(lǐng)域，低溫推進劑貯箱作為航天器及運載火箭低溫推進系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，占據(jù)箭體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的60%以上，其性能直接決定了結(jié)構(gòu)整體的輕量化水平與運載能力。例如，美國SpaceX公司研制的直徑12米的超大尺寸復(fù)合材料貯箱，以及NASA制造的直徑5.5米的復(fù)合材料低溫貯箱樣件，都是該領(lǐng)域的重要成果。使用復(fù)合材料貯箱，可使火箭在承受5000微應(yīng)變的前提下減重30%，同時降低成本25%，這充分展現(xiàn)了低溫復(fù)合材料貯箱在航天領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢。在能源領(lǐng)域，液化天然氣（LNG）的儲存與運輸也依賴于低溫復(fù)合材料貯箱，其高效的隔熱性能與輕量化特點，有助于降低能源損耗與運輸成本。然而，低溫復(fù)合材料貯箱在服役過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，容易出現(xiàn)各種損傷與缺陷。由于其工作環(huán)境復(fù)雜，不僅要承受低溫、高壓等極端條件，還可能遭受機械沖擊、熱應(yīng)力等多種載荷的作用。在低溫環(huán)境下，復(fù)合材料的力學(xué)性能會發(fā)生顯著變化，如脆性增加、強度降低等，這使得貯箱更容易出現(xiàn)裂紋、分層等損傷形式。這些損傷如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。美國航空航天局（NASA）在對復(fù)合材料液氫、液氧貯箱試驗件進行測試時，就曾出現(xiàn)過貯箱泄漏等問題，這充分說明了低溫復(fù)合材料貯箱安全監(jiān)測的重要性。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為保障低溫復(fù)合材料貯箱安全、高效運行的關(guān)鍵手段，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取貯箱的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在的損傷與故障，并對其發(fā)展趨勢進行預(yù)測。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，可以實現(xiàn)對貯箱的預(yù)防性維護，避免事故的發(fā)生，提高其可靠性和使用壽命，降低維護成本。對于航天領(lǐng)域的低溫復(fù)合材料貯箱來說，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用可以確保航天器在飛行過程中的安全，為航天任務(wù)的成功實施提供有力保障。在能源領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用則可以提高LNG儲存與運輸?shù)陌踩院涂煽啃?，促進能源行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，開展低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，它不僅能夠推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步，還能為實際工程應(yīng)用提供堅實的技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，美國國家航空航天局（NASA）一直處于低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的前沿。NASA開展的復(fù)合材料低溫推進劑貯箱發(fā)展計劃（CCTD計劃），致力于研究設(shè)計低溫復(fù)合材料液氫/液氧貯箱以替代傳統(tǒng)鋁合金貯箱。在該計劃中，采用了多種先進的監(jiān)測技術(shù)，如光纖傳感技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等，對貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。通過在貯箱結(jié)構(gòu)中布設(shè)光纖傳感器，能夠精確測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度信息，及時發(fā)現(xiàn)因溫度變化和載荷作用引起的結(jié)構(gòu)損傷。采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，捕捉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在損傷過程中產(chǎn)生的聲波信號，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的早期預(yù)警。這些技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了低溫復(fù)合材料貯箱的安全性和可靠性。美國空軍研究實驗室（AFRL）下屬的空間飛行器研究室（AFRL/VS）與NASA合作，對X-37B可重復(fù)使用無人航天飛行器的全復(fù)合材料液氫貯箱、液氧貯箱試驗件進行了泄漏、壓力循環(huán)測試。在測試過程中，運用先進的無損檢測技術(shù)，如超聲C掃、X射線檢測等，對貯箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)了貯箱在固化過程中沙質(zhì)芯模的損傷以及微小的泄漏點，為后續(xù)的改進和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。歐洲航天局（ESA）也在積極開展相關(guān)研究，通過多學(xué)科交叉融合，將智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于低溫復(fù)合材料貯箱的健康監(jiān)測中。例如，開發(fā)新型的智能復(fù)合材料，使其能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和溫度變化自動調(diào)整性能，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的主動監(jiān)測和控制。采用分布式傳感技術(shù)，在貯箱表面均勻布設(shè)傳感器，實現(xiàn)對貯箱整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面監(jiān)測。在國內(nèi)，國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院、北京宇航系統(tǒng)工程研究所、航天材料及工藝研究所等科研單位在低溫復(fù)合材料領(lǐng)域均開展了相關(guān)研究工作。大連理工大學(xué)提出了一種在線和離線結(jié)合的方式，采用多傳感、多狀態(tài)和信息融合模式的低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)體系。該體系通過在貯箱結(jié)構(gòu)上布設(shè)光纖傳感器、溫度傳感器和壓電傳感器等多種傳感器，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和沖擊信號的實時監(jiān)測。利用超聲C掃、X射線與CT相結(jié)合的離線傳感單元，得到離線多模態(tài)信號，對貯箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行全面檢測。通過數(shù)據(jù)融合模塊，將不同時刻的狀態(tài)信息進行融合，利用大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，對數(shù)據(jù)庫平臺數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)健康狀況的準(zhǔn)確評估和故障預(yù)測診斷。航天材料及工藝研究所對自主研發(fā)的T800/607低溫復(fù)合材料體系進行了性能評價研究，包括工藝性、力學(xué)性能、滲透性等方面。通過對該復(fù)合材料體系在低溫環(huán)境下的性能測試，為其在液氫無內(nèi)襯復(fù)合材料貯箱中的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面，該研究所采用多種監(jiān)測手段，如應(yīng)變監(jiān)測、超聲檢測等，對復(fù)合材料貯箱的性能進行實時監(jiān)測，確保其在服役過程中的安全性和可靠性。然而，現(xiàn)有的低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)仍存在一些不足之處。部分監(jiān)測技術(shù)對微小損傷的檢測靈敏度較低，難以在損傷初期及時發(fā)現(xiàn)問題。數(shù)據(jù)處理和分析方法還不夠完善，在處理大量復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)時，容易出現(xiàn)誤判和漏判的情況。多傳感器融合技術(shù)雖然能夠提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，但在傳感器的選型、布局和數(shù)據(jù)融合算法等方面還需要進一步優(yōu)化。此外，監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也有待提高，以適應(yīng)低溫、高壓等惡劣的工作環(huán)境。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，構(gòu)建一套全面、高效、可靠的監(jiān)測體系，以實現(xiàn)對低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時、準(zhǔn)確監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的損傷和故障，并對其發(fā)展趨勢進行有效預(yù)測，為貯箱的安全運行和維護提供科學(xué)依據(jù)，具體研究內(nèi)容如下：傳感技術(shù)研究：深入研究適用于低溫環(huán)境的傳感技術(shù)，如光纖傳感技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、聲發(fā)射傳感技術(shù)等。分析不同傳感技術(shù)在低溫環(huán)境下的工作原理、性能特點以及適用范圍。探索如何優(yōu)化傳感器的選型和布局，以提高監(jiān)測的靈敏度和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)微小損傷的有效檢測。研究光纖傳感器在低溫環(huán)境下的應(yīng)變和溫度傳感性能，分析其波長變化與應(yīng)變、溫度之間的關(guān)系，確定其在低溫復(fù)合材料貯箱監(jiān)測中的最佳應(yīng)用參數(shù)。信號處理與特征提取：針對傳感技術(shù)獲取的監(jiān)測信號，研究有效的信號處理方法，如濾波、降噪、特征提取等。采用先進的信號處理算法，去除信號中的噪聲和干擾，提取能夠反映貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)。利用小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等方法對監(jiān)測信號進行處理，提取信號的時頻特征，為后續(xù)的損傷識別和狀態(tài)評估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。損傷識別與定位方法：基于信號處理和特征提取的結(jié)果，研究低溫復(fù)合材料貯箱的損傷識別與定位方法。建立損傷識別模型，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，判斷貯箱結(jié)構(gòu)是否存在損傷，并確定損傷的位置和程度。運用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，提高損傷識別的準(zhǔn)確性和可靠性。利用支持向量機、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法對損傷特征進行分類和識別，實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)損傷的快速、準(zhǔn)確診斷。多傳感器融合技術(shù)：考慮到單一傳感器監(jiān)測的局限性，研究多傳感器融合技術(shù)，將多種類型的傳感器數(shù)據(jù)進行融合處理，以提高監(jiān)測的全面性和準(zhǔn)確性。探索不同傳感器數(shù)據(jù)的融合策略和算法，如數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合等。通過多傳感器融合，充分發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的更全面、更準(zhǔn)確的評估。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)：根據(jù)上述研究內(nèi)容，設(shè)計并實現(xiàn)一套完整的低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)包括傳感器、信號采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、損傷識別與評估模塊以及用戶界面等部分?？紤]系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴展性，確保系統(tǒng)能夠在低溫、高壓等惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。開發(fā)相應(yīng)的軟件和硬件平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、處理和分析，以及損傷信息的實時顯示和報警。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運用多種研究方法，全面深入地開展低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的研究。文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、專利文獻(xiàn)、技術(shù)報告等。通過對這些文獻(xiàn)的梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本研究提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。如對美國NASA開展的復(fù)合材料低溫推進劑貯箱發(fā)展計劃（CCTD計劃）相關(guān)文獻(xiàn)的研究，深入了解其在光纖傳感技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等方面的應(yīng)用情況，以及取得的成果和經(jīng)驗教訓(xùn)。實驗研究法：搭建低溫實驗平臺，模擬低溫復(fù)合材料貯箱的實際工作環(huán)境，開展一系列實驗研究。進行傳感技術(shù)實驗，測試不同傳感器在低溫環(huán)境下的性能參數(shù)，如光纖傳感器的應(yīng)變和溫度傳感性能、壓電傳感器的阻抗特性等，為傳感器的選型和優(yōu)化提供實驗依據(jù)。開展損傷模擬實驗，在復(fù)合材料試件上制造不同類型和程度的損傷，如裂紋、分層等，利用監(jiān)測系統(tǒng)對損傷進行檢測和識別，驗證損傷識別方法的有效性和準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬法：運用有限元分析軟件，建立低溫復(fù)合材料貯箱的數(shù)值模型，模擬其在不同載荷和工況下的力學(xué)響應(yīng)和損傷演化過程。通過數(shù)值模擬，分析貯箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，預(yù)測可能出現(xiàn)的損傷位置和形式，為監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。利用數(shù)值模擬研究不同鋪層方式和材料參數(shù)對貯箱結(jié)構(gòu)性能的影響，為復(fù)合材料的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。案例分析法：選取實際工程中的低溫復(fù)合材料貯箱案例，對其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行分析和研究。通過對案例的分析，總結(jié)成功經(jīng)驗和存在的問題，提出針對性的改進措施和建議，為其他工程應(yīng)用提供借鑒。對美國SpaceX公司研制的直徑12米的超大尺寸復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測案例進行分析，了解其在監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、傳感器布局、數(shù)據(jù)處理等方面的實際應(yīng)用情況，以及在實際運行中遇到的問題和解決方法。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，通過文獻(xiàn)研究和實際調(diào)研，明確低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀和存在的問題，確定研究目標(biāo)和內(nèi)容。然后，開展傳感技術(shù)研究，選擇適用于低溫環(huán)境的傳感器，并對其進行優(yōu)化和改進。在此基礎(chǔ)上，研究信號處理與特征提取方法，對傳感器采集到的信號進行處理和分析，提取能夠反映貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)。接著，建立損傷識別與定位模型，利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對貯箱結(jié)構(gòu)的損傷進行識別和定位。同時，研究多傳感器融合技術(shù)，將多種傳感器的數(shù)據(jù)進行融合處理，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。最后，根據(jù)上述研究成果，設(shè)計并實現(xiàn)一套完整的低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并進行實驗驗證和工程應(yīng)用。[此處插入技術(shù)路線圖1-1，技術(shù)路線圖應(yīng)清晰展示從研究準(zhǔn)備、技術(shù)研究、模型建立到系統(tǒng)實現(xiàn)和應(yīng)用的整個過程，各個環(huán)節(jié)之間用箭頭表示邏輯關(guān)系，每個環(huán)節(jié)應(yīng)標(biāo)注主要的研究內(nèi)容和方法]二、低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)特性與健康問題2.1低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)特點2.1.1材料特性低溫復(fù)合材料貯箱通常采用纖維增強樹脂基復(fù)合材料，其中纖維如碳纖維、玻璃纖維等提供高強度和高模量，樹脂基體則起到粘結(jié)纖維、傳遞載荷以及保護纖維免受環(huán)境侵蝕的作用。在低溫環(huán)境下，這些材料展現(xiàn)出獨特的性能優(yōu)勢。從力學(xué)性能來看，復(fù)合材料具有高強度、低密度的特點，這使得貯箱在保證承載能力的同時能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化設(shè)計。例如，碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的比強度（強度與密度之比）是傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)倍，在航天領(lǐng)域中，使用這種復(fù)合材料制造貯箱可以顯著減輕火箭的結(jié)構(gòu)重量，提高運載效率。在低溫條件下，材料的強度和模量會有所增加。相關(guān)研究表明，某些碳纖維增強復(fù)合材料在液氮溫度（-196℃）下，拉伸強度相比室溫可提高20%-30%，彈性模量也會有相應(yīng)的提升。這是因為低溫使分子鏈的運動受到限制，分子間的作用力增強，從而提高了材料的力學(xué)性能。在物理性能方面，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較小。以碳纖維增強復(fù)合材料為例，其熱膨脹系數(shù)在纖維方向上接近零，在垂直于纖維方向上也遠(yuǎn)小于金屬材料。這一特性使得貯箱在低溫環(huán)境下能夠保持較好的尺寸穩(wěn)定性，減少因溫度變化引起的熱應(yīng)力和變形。熱膨脹系數(shù)小也有助于提高貯箱與其他部件之間的連接可靠性，降低因熱脹冷縮導(dǎo)致的密封失效等問題的發(fā)生概率。復(fù)合材料還具有良好的耐腐蝕性和絕緣性。在低溫環(huán)境下，其耐腐蝕性能依然出色，能夠有效抵抗低溫介質(zhì)的侵蝕，延長貯箱的使用壽命。良好的絕緣性則可以防止貯箱在運行過程中發(fā)生靜電積累和放電現(xiàn)象，提高運行的安全性。然而，低溫也會給復(fù)合材料帶來一些不利影響。由于纖維和樹脂基體的熱膨脹系數(shù)存在差異，在低溫環(huán)境下，這種差異會導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過一定限度時，可能會引發(fā)基體開裂、纖維與基體界面脫粘等損傷，從而降低復(fù)合材料的性能。低溫還會使復(fù)合材料的韌性降低，脆性增加，使其更容易在沖擊載荷作用下發(fā)生破壞。因此，在設(shè)計和使用低溫復(fù)合材料貯箱時，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來提高材料的性能和可靠性。2.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計低溫復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。單層結(jié)構(gòu)通常由單一的復(fù)合材料層構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)形式簡單，制造工藝相對容易，成本較低，但其在承受壓力和抵抗損傷方面的能力相對有限。在一些小型的低溫復(fù)合材料貯箱中，可能會采用單層結(jié)構(gòu)，以滿足其對輕量化和低成本的要求。多層結(jié)構(gòu)則由多個不同功能的層組成，以實現(xiàn)更好的性能。一種常見的多層結(jié)構(gòu)是由內(nèi)襯層、復(fù)合材料層和外保護層組成。內(nèi)襯層主要起到防止低溫介質(zhì)滲漏的作用，通常采用具有良好低溫密封性能的材料，如金屬箔、橡膠等。復(fù)合材料層是貯箱的主要承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著承受內(nèi)壓、外載荷以及熱應(yīng)力等作用，它由纖維增強樹脂基復(fù)合材料通過纏繞、鋪層等工藝制成，根據(jù)貯箱的受力情況和性能要求，可以合理設(shè)計復(fù)合材料層的纖維鋪層方向和厚度。外保護層則用于保護復(fù)合材料層免受外部環(huán)境的影響，如機械損傷、紫外線輻射、化學(xué)腐蝕等，一般采用具有良好耐磨性和耐候性的材料。以大型航天低溫復(fù)合材料貯箱為例，其多層結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復(fù)雜和精細(xì)。內(nèi)襯層采用特殊的金屬材料或高性能聚合物材料，確保在超低溫環(huán)境下的密封性能和耐腐蝕性。復(fù)合材料層采用高強度的碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，通過精確的纏繞工藝，使纖維在不同方向上合理分布，以滿足貯箱在不同工況下的受力需求。外保護層則采用具有隔熱、耐沖擊和防輻射性能的材料，為復(fù)合材料層提供全方位的保護。在貯箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要考慮各部分的功能和相互之間的協(xié)同作用。例如，貯箱的封頭部分通常采用球形或橢圓形設(shè)計，以提高其承受內(nèi)壓的能力；連接部位則需要設(shè)計合理的連接結(jié)構(gòu)，確保連接的強度和密封性。為了保證貯箱在低溫環(huán)境下的正常運行，還需要設(shè)置相應(yīng)的隔熱系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測裝置等。隔熱系統(tǒng)可以采用多層真空絕熱材料或泡沫絕熱材料，減少熱量的傳遞，降低貯箱內(nèi)低溫介質(zhì)的蒸發(fā)損失。支撐結(jié)構(gòu)用于支撐貯箱的重量和承受外部載荷，需要具有足夠的強度和穩(wěn)定性。監(jiān)測裝置則可以實時監(jiān)測貯箱的壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全運行提供數(shù)據(jù)支持。2.2低溫環(huán)境對貯箱結(jié)構(gòu)的影響2.2.1溫度應(yīng)力當(dāng)?shù)蜏貜?fù)合材料貯箱從常溫狀態(tài)進入低溫工作環(huán)境時，由于材料的熱脹冷縮特性，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在貯箱結(jié)構(gòu)中，不同部位的材料因溫度變化而產(chǎn)生的收縮或膨脹程度不同，這種差異導(dǎo)致了各部位之間相互約束，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，貯箱的復(fù)合材料層與內(nèi)襯層材料的熱膨脹系數(shù)往往存在差異，在低溫環(huán)境下，這種差異使得兩層材料的收縮量不同，進而在界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。從微觀角度來看，材料內(nèi)部的原子在低溫下振動幅度減小，原子間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的體積收縮。而復(fù)合材料是由多種不同材料組成，各組成材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度變化時，它們之間的變形不協(xié)調(diào)，就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強度時，會使材料發(fā)生塑性變形；若熱應(yīng)力持續(xù)增大，超過材料的極限強度，就會導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響貯箱的結(jié)構(gòu)完整性和安全性。在實際工程中，溫度應(yīng)力對低溫復(fù)合材料貯箱的影響十分顯著。如在某些航天任務(wù)中，低溫復(fù)合材料貯箱在經(jīng)歷多次熱循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)貯箱的封頭與筒體連接部位出現(xiàn)了裂紋，經(jīng)分析，這是由于該部位在低溫環(huán)境下承受了較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致材料疲勞損傷，最終引發(fā)裂紋。在LNG運輸領(lǐng)域，低溫復(fù)合材料貯箱在充裝和卸載過程中，溫度的急劇變化也會使貯箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，增加了貯箱發(fā)生泄漏和損壞的風(fēng)險。2.2.2材料性能變化在低溫環(huán)境下，復(fù)合材料的性能會發(fā)生顯著變化，對貯箱的結(jié)構(gòu)健康產(chǎn)生重要影響。材料的脆性增加是一個明顯的變化。以環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料為例，在常溫下，環(huán)氧樹脂基體具有一定的韌性，能夠吸收能量，使得復(fù)合材料在受到外力作用時，具有較好的抗沖擊性能。當(dāng)溫度降低到一定程度時，環(huán)氧樹脂基體的分子鏈運動受到極大限制，變得僵硬，材料的韌性急劇下降，脆性顯著增加。此時，復(fù)合材料在受到較小的沖擊載荷或應(yīng)力集中時，就容易發(fā)生脆性斷裂，這對貯箱的安全運行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。復(fù)合材料的彈性模量也會發(fā)生變化。一般來說，隨著溫度的降低，復(fù)合材料的彈性模量會增大。這是因為低溫使材料內(nèi)部的分子間作用力增強，原子間的結(jié)合更加緊密，材料抵抗變形的能力提高。彈性模量的增大意味著在相同載荷作用下，材料的變形量減小。然而，這種變化也可能帶來一些問題。在貯箱的設(shè)計和使用過程中，如果沒有充分考慮彈性模量的變化，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布發(fā)生改變，原本設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)在低溫下可能會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性。低溫還會影響復(fù)合材料的強度性能。雖然在某些情況下，材料的強度會隨著溫度的降低而有所提高，但這種強度的增加并非普遍規(guī)律，且不同類型的復(fù)合材料在低溫下的強度變化情況也不盡相同。一些研究表明，對于某些玻璃纖維增強復(fù)合材料，在低溫下其拉伸強度可能會有所下降，這是由于低溫導(dǎo)致纖維與基體之間的界面結(jié)合力減弱，在受力時容易發(fā)生界面脫粘，從而降低了復(fù)合材料的整體強度。低溫還可能導(dǎo)致復(fù)合材料的疲勞性能下降，使其在循環(huán)載荷作用下更容易發(fā)生疲勞破壞。在低溫環(huán)境下，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也會發(fā)生變化，這會影響貯箱的隔熱性能，進而影響低溫介質(zhì)的儲存和使用效率。2.3常見健康問題及危害2.3.1裂紋與損傷低溫復(fù)合材料貯箱在服役過程中，裂紋與損傷是較為常見且嚴(yán)重的健康問題。裂紋產(chǎn)生的原因是多方面的，主要包括材料自身的缺陷、溫度應(yīng)力以及機械載荷等因素。在材料制造過程中，由于工藝條件的限制，復(fù)合材料內(nèi)部可能會存在微裂紋、孔隙、纖維與基體界面結(jié)合不良等缺陷。這些初始缺陷在低溫環(huán)境和外部載荷的作用下，容易成為裂紋的萌生源。如在復(fù)合材料的固化過程中，如果溫度控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致樹脂基體固化不均勻，從而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，為裂紋的產(chǎn)生埋下隱患。溫度應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的重要原因之一。如前文所述，低溫環(huán)境下，復(fù)合材料各組成部分的熱膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。當(dāng)這種熱應(yīng)力超過材料的承受能力時，就會引發(fā)裂紋。在貯箱從常溫冷卻到低溫的過程中，由于內(nèi)襯層與復(fù)合材料層的熱膨脹系數(shù)差異，在兩者的界面處會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致界面脫粘，進而引發(fā)裂紋。機械載荷也是裂紋產(chǎn)生的一個重要因素。在貯箱的運輸、安裝和使用過程中，可能會受到振動、沖擊等機械載荷的作用。當(dāng)這些載荷超過材料的強度極限時，就會導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形，進而產(chǎn)生裂紋。在火箭發(fā)射過程中，低溫復(fù)合材料貯箱會承受巨大的振動和沖擊載荷，這些載荷可能會使貯箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋。裂紋一旦產(chǎn)生，會在低溫環(huán)境和載荷的持續(xù)作用下不斷發(fā)展。裂紋的擴展方向通常與主應(yīng)力方向垂直，隨著裂紋的擴展，貯箱的承載能力會逐漸下降。當(dāng)裂紋擴展到一定程度時，可能會導(dǎo)致貯箱發(fā)生突然的脆性斷裂，這對貯箱的安全運行構(gòu)成了極大的威脅。在航天領(lǐng)域，如果低溫復(fù)合材料貯箱發(fā)生脆性斷裂，可能會導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。裂紋還可能引發(fā)其他形式的損傷，如分層、纖維斷裂等，進一步降低貯箱的結(jié)構(gòu)性能。2.3.2滲漏問題滲漏是低溫復(fù)合材料貯箱另一個常見且危害嚴(yán)重的健康問題。滲漏的原因主要包括密封結(jié)構(gòu)失效、材料老化以及制造缺陷等。密封結(jié)構(gòu)是防止低溫介質(zhì)滲漏的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著貯箱的密封性。在低溫環(huán)境下，密封材料的性能會發(fā)生變化，如橡膠密封材料在低溫下會變硬、變脆，失去彈性，導(dǎo)致密封性能下降。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計不合理、安裝不當(dāng)或長期使用后的磨損、腐蝕等，也會導(dǎo)致密封失效，從而引發(fā)滲漏。如果密封結(jié)構(gòu)的密封面不平整，或者密封墊的厚度不均勻，都可能導(dǎo)致密封不嚴(yán)，出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。材料老化也是導(dǎo)致滲漏的一個重要原因。隨著使用時間的增加，復(fù)合材料中的樹脂基體和纖維會逐漸發(fā)生老化，性能下降。樹脂基體的老化會導(dǎo)致其粘結(jié)性能降低，纖維與基體之間的界面結(jié)合力減弱，從而使材料的整體性能下降，容易出現(xiàn)滲漏。材料在長期的低溫環(huán)境和紫外線、化學(xué)物質(zhì)等因素的作用下，會加速老化過程，增加滲漏的風(fēng)險。制造過程中的缺陷同樣可能引發(fā)滲漏問題。在復(fù)合材料貯箱的制造過程中，如果工藝控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致材料內(nèi)部存在孔隙、裂紋等缺陷，這些缺陷會成為滲漏的通道。在復(fù)合材料的纏繞過程中，如果纖維纏繞不緊密，或者樹脂浸漬不均勻，都可能在材料內(nèi)部形成孔隙，從而引發(fā)滲漏。滲漏問題對低溫復(fù)合材料貯箱的危害極大。滲漏會導(dǎo)致低溫介質(zhì)的損失，影響貯箱的正常使用。對于LNG貯箱來說，滲漏會導(dǎo)致天然氣的泄漏，不僅造成能源的浪費，還可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故，對人員和環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。滲漏還可能導(dǎo)致貯箱結(jié)構(gòu)受到低溫介質(zhì)的侵蝕，加速材料的損壞，進一步降低貯箱的使用壽命。由于低溫介質(zhì)的滲漏往往較為隱蔽，檢測難度較大，給及時發(fā)現(xiàn)和處理滲漏問題帶來了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的檢測方法如外觀檢查、壓力測試等，對于微小的滲漏點可能難以檢測到，需要采用更為先進的檢測技術(shù)，如氦質(zhì)譜檢漏、紅外熱成像檢測等，才能準(zhǔn)確檢測出滲漏位置和程度。三、健康監(jiān)測技術(shù)原理與應(yīng)用3.1傳感技術(shù)傳感技術(shù)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基礎(chǔ)，在低溫復(fù)合材料貯箱的安全保障中起著至關(guān)重要的作用。不同類型的傳感器能夠?qū)崟r感知貯箱的各種物理參數(shù)，為后續(xù)的信號處理與損傷識別提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。下面將詳細(xì)介紹幾種在低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常用的傳感技術(shù)。3.1.1光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)是一種基于光的傳輸和調(diào)制原理的先進傳感技術(shù)，在低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢。其工作原理基于光在光纖中的傳播特性，當(dāng)外界物理量作用于光纖時，會引起光的某些特性（如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，通過檢測這些變化，就可以實現(xiàn)對被測量的精確測量。以光纖布拉格光柵（FBG）傳感器為例，其工作原理基于布拉格反射原理。當(dāng)一束寬帶光入射到光纖布拉格光柵時，滿足布拉格條件的特定波長的光將被反射回來，而其他波長的光則透過光柵繼續(xù)傳播。布拉格波長與光柵周期和光纖的有效折射率密切相關(guān)，當(dāng)外界物理量（如溫度、應(yīng)變等）發(fā)生變化時，會導(dǎo)致光柵周期和有效折射率改變，從而使布拉格波長發(fā)生漂移。通過精確測量布拉格波長的漂移量，就可以準(zhǔn)確獲取外界物理量的變化信息。在低溫復(fù)合材料貯箱中，當(dāng)貯箱結(jié)構(gòu)受到溫度變化或機械載荷作用時，粘貼在結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖布拉格光柵傳感器會相應(yīng)地感受到應(yīng)變和溫度的變化，其布拉格波長也會隨之改變。通過檢測系統(tǒng)對波長漂移量的測量和分析，就能夠?qū)崟r監(jiān)測貯箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度狀態(tài)。光纖傳感技術(shù)在低溫環(huán)境下具有諸多顯著優(yōu)勢。它具有極高的靈敏度，能夠精確檢測到微小的物理量變化。在低溫環(huán)境中，材料的性能變化往往較為細(xì)微，光纖傳感器的高靈敏度使其能夠及時捕捉到這些變化，為早期損傷的發(fā)現(xiàn)提供了有力支持。相關(guān)研究表明，光纖布拉格光柵傳感器在低溫下對應(yīng)變的測量精度可達(dá)到微應(yīng)變量級，對溫度的測量精度可達(dá)到0.1℃。光纖傳感器還具有出色的抗電磁干擾能力。在低溫復(fù)合材料貯箱的實際工作環(huán)境中，往往存在各種復(fù)雜的電磁干擾源，如電子設(shè)備、高壓電纜等。而光纖傳感器以光信號作為傳輸載體，不受電磁干擾的影響，能夠在這種惡劣的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。光纖傳感器還具有體積小、重量輕、可撓曲性好等特點，便于在低溫復(fù)合材料貯箱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上進行安裝和布置。其對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量和剛度影響極小，不會對貯箱的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯干擾。此外，光纖傳感器還可以實現(xiàn)分布式測量，通過在一根光纖上集成多個傳感單元，能夠?qū)A箱結(jié)構(gòu)的不同部位進行同時監(jiān)測，獲取全面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。這種分布式測量方式不僅提高了監(jiān)測的效率和覆蓋范圍，還能夠更準(zhǔn)確地定位損傷位置，為及時采取修復(fù)措施提供依據(jù)。3.1.2壓電傳感技術(shù)壓電傳感技術(shù)基于某些材料的壓電效應(yīng)，在低溫復(fù)合材料貯箱的沖擊、振動監(jiān)測等方面發(fā)揮著重要作用。其工作原理是當(dāng)壓電材料受到外力作用時，會在其表面產(chǎn)生電荷，且產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比。常見的壓電材料包括石英晶體、壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）。以壓電陶瓷傳感器為例，當(dāng)外界機械力作用于壓電陶瓷時，其內(nèi)部的電疇結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移，從而在壓電陶瓷的表面產(chǎn)生電荷。這些電荷可以通過外接電路進行收集和測量，進而將機械力信號轉(zhuǎn)換為電信號。在低溫復(fù)合材料貯箱中，當(dāng)貯箱受到?jīng)_擊或振動時，粘貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器會感受到這些動態(tài)載荷，并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號。通過對這些電荷信號的分析和處理，可以獲取沖擊的強度、頻率以及振動的幅度、頻率等信息。在沖擊監(jiān)測方面，壓電傳感器能夠快速響應(yīng)沖擊事件，捕捉到瞬間的沖擊力變化。當(dāng)?shù)蜏貜?fù)合材料貯箱受到外部物體的撞擊時，壓電傳感器會立即產(chǎn)生一個尖銳的電荷信號，其幅值與沖擊力的大小成正比。通過對該信號的幅值、上升時間等特征參數(shù)的分析，可以判斷沖擊的嚴(yán)重程度，并確定沖擊發(fā)生的位置。利用多個壓電傳感器組成的陣列，結(jié)合信號處理算法，可以實現(xiàn)對沖擊源的精確定位。在振動監(jiān)測方面，壓電傳感器可以實時監(jiān)測貯箱結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)。通過測量振動過程中產(chǎn)生的電荷信號的頻率和幅值，能夠分析出貯箱結(jié)構(gòu)的振動頻率和振動幅度。當(dāng)貯箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常振動時，如由于共振、結(jié)構(gòu)松動等原因引起的振動，壓電傳感器檢測到的振動信號的頻率和幅值會發(fā)生明顯變化。通過對這些變化的監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的潛在問題，采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)和加固，避免結(jié)構(gòu)進一步損壞。壓電傳感器還具有響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確地測量快速變化的動態(tài)載荷。在低溫環(huán)境下，雖然壓電材料的性能會受到一定影響，但其仍然能夠保持較好的傳感性能，為貯箱的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3.1.3其他傳感技術(shù)除了光纖傳感技術(shù)和壓電傳感技術(shù)外，溫度傳感器、應(yīng)變片等其他傳感技術(shù)在低溫復(fù)合材料貯箱健康監(jiān)測中也有著重要的應(yīng)用。溫度傳感器用于測量低溫復(fù)合材料貯箱的溫度，在低溫環(huán)境下，溫度的變化對貯箱的結(jié)構(gòu)性能和內(nèi)部介質(zhì)的狀態(tài)有著顯著影響。常用的溫度傳感器包括熱電偶、熱電阻等。熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體組成閉合回路，且兩端存在溫度差時，回路中會產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小與溫度差成正比。在低溫復(fù)合材料貯箱中，通過將熱電偶的測量端與貯箱結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部接觸，可以實時測量貯箱的溫度。熱電阻則是利用電阻隨溫度變化的特性來測量溫度，常見的熱電阻材料有鉑、銅等。鉑電阻具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在低溫測量中應(yīng)用廣泛。通過測量熱電阻的電阻值變化，就可以準(zhǔn)確獲取貯箱的溫度信息。應(yīng)變片是一種常用的應(yīng)變測量傳感器，其工作原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在受到外力作用發(fā)生形變時，其電阻值會發(fā)生變化。將應(yīng)變片粘貼在低溫復(fù)合材料貯箱的表面，當(dāng)貯箱結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變時，應(yīng)變片也會隨之產(chǎn)生形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生改變。通過測量應(yīng)變片電阻值的變化，并根據(jù)其標(biāo)定的電阻應(yīng)變系數(shù)，就可以計算出貯箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變大小。應(yīng)變片具有測量精度高、安裝方便等優(yōu)點，能夠?qū)崟r監(jiān)測貯箱結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的應(yīng)變狀態(tài)，為評估貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀況提供重要依據(jù)。這些傳感技術(shù)在低溫復(fù)合材料貯箱健康監(jiān)測中相互補充，共同為實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)的全面、準(zhǔn)確監(jiān)測提供了技術(shù)支持。通過合理選擇和布置不同類型的傳感器，可以獲取貯箱結(jié)構(gòu)在溫度、應(yīng)變、沖擊、振動等多方面的信息，為后續(xù)的信號處理、損傷識別和狀態(tài)評估奠定堅實的基礎(chǔ)。3.2無損檢測技術(shù)無損檢測技術(shù)在低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中發(fā)揮著不可或缺的作用，它能夠在不破壞貯箱結(jié)構(gòu)的前提下，對其內(nèi)部缺陷進行有效檢測，為評估貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀況提供關(guān)鍵依據(jù)。下面將詳細(xì)介紹幾種常見的無損檢測技術(shù)。3.2.1超聲檢測超聲檢測是一種廣泛應(yīng)用于低溫復(fù)合材料貯箱內(nèi)部缺陷檢測的無損檢測技術(shù)，其原理基于超聲波在材料中的傳播特性。超聲波是一種頻率高于20kHz的機械波，當(dāng)它在復(fù)合材料中傳播時，遇到不同介質(zhì)的界面（如裂紋、分層、孔隙等缺陷與基體材料的界面），會發(fā)生反射、折射和散射現(xiàn)象。通過檢測這些反射、折射和散射的超聲波信號，就可以獲取材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，從而判斷是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小和形狀等參數(shù)。在實際檢測中，通常采用脈沖反射法。將超聲換能器與低溫復(fù)合材料貯箱的表面緊密耦合，向貯箱內(nèi)部發(fā)射超聲波脈沖。當(dāng)超聲波遇到缺陷時，部分超聲波會被反射回來，被同一換能器接收。根據(jù)發(fā)射和接收超聲波脈沖的時間差以及超聲波在材料中的傳播速度，就可以計算出缺陷的深度。通過分析反射波的幅度、相位等特征，還可以判斷缺陷的類型和大小。如果反射波的幅度較大，說明缺陷的尺寸較大；反之，如果反射波的幅度較小，則缺陷的尺寸相對較小。超聲檢測在低溫復(fù)合材料貯箱內(nèi)部缺陷檢測方面具有諸多優(yōu)勢。它對微小缺陷具有較高的檢測靈敏度，能夠檢測出尺寸較小的裂紋、分層等缺陷。研究表明，超聲檢測可以檢測出直徑小于1mm的孔隙類缺陷以及長度小于2mm的裂紋缺陷。該技術(shù)檢測速度快、操作簡便，可以對大面積的貯箱結(jié)構(gòu)進行快速檢測。超聲檢測還可以實現(xiàn)對缺陷的定量分析，通過對反射波信號的精確測量和分析，能夠較為準(zhǔn)確地確定缺陷的位置、大小和形狀等參數(shù)。然而，超聲檢測也存在一定的局限性。它對檢測人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗要求較高，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于檢測人員對超聲信號的分析和判斷能力。不同類型的缺陷可能會產(chǎn)生相似的超聲信號，容易導(dǎo)致誤判。超聲檢測對于形狀復(fù)雜、曲率較大的貯箱結(jié)構(gòu)，檢測難度較大，可能會存在檢測盲區(qū)。在檢測具有復(fù)雜曲面的貯箱封頭部位時，由于超聲波的傳播方向和反射規(guī)律會發(fā)生變化，可能會影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2.2X射線與CT檢測X射線檢測和CT檢測是兩種基于射線穿透原理的無損檢測技術(shù)，在低溫復(fù)合材料貯箱復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測中具有獨特的優(yōu)勢。X射線檢測的原理是利用X射線穿透低溫復(fù)合材料貯箱時，不同材料對X射線的吸收程度不同。當(dāng)X射線穿過貯箱時，遇到缺陷（如孔隙、裂紋、夾雜等），由于缺陷部位的材料密度與基體材料不同，對X射線的吸收能力也會產(chǎn)生差異。通過檢測穿透貯箱后的X射線強度變化，就可以獲取材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，從而發(fā)現(xiàn)缺陷。在X射線檢測中，通常將X射線源發(fā)出的X射線照射到貯箱上，在貯箱的另一側(cè)放置探測器，如膠片、圖像增強器或平板探測器等。探測器接收穿透貯箱后的X射線，并將其轉(zhuǎn)換為可見的圖像或電信號。通過對這些圖像或信號的分析，就可以判斷貯箱內(nèi)部是否存在缺陷以及缺陷的位置和形狀。如果在圖像中出現(xiàn)暗區(qū)或亮區(qū)，就可能表示存在缺陷。暗區(qū)通常表示X射線吸收較少的區(qū)域，可能是孔隙或裂紋等缺陷；亮區(qū)則表示X射線吸收較多的區(qū)域，可能是夾雜等缺陷。CT檢測（ComputedTomography，即計算機斷層掃描）是在X射線檢測的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種更為先進的無損檢測技術(shù)。它通過對低溫復(fù)合材料貯箱進行多角度的X射線掃描，獲取大量的二維投影數(shù)據(jù)。然后，利用計算機算法對這些投影數(shù)據(jù)進行重建，生成貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像。CT檢測能夠提供貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，不僅可以檢測出缺陷的位置、大小和形狀，還可以清晰地顯示缺陷在三維空間中的分布情況。在檢測具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的低溫復(fù)合材料貯箱時，CT檢測可以準(zhǔn)確地識別出不同層之間的缺陷以及缺陷與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系。與X射線檢測相比，CT檢測具有更高的檢測精度和分辨率。它可以檢測出更小尺寸的缺陷，并且能夠?qū)θ毕葸M行更準(zhǔn)確的定量分析。CT檢測還可以避免X射線檢測中由于投影重疊導(dǎo)致的缺陷漏檢問題。在檢測多層結(jié)構(gòu)的低溫復(fù)合材料貯箱時，X射線檢測可能會因為不同層的缺陷投影重疊而難以準(zhǔn)確判斷缺陷的位置和性質(zhì)，而CT檢測則可以通過三維重建清晰地顯示各層的結(jié)構(gòu)和缺陷情況。CT檢測也存在一些缺點，如設(shè)備成本高、檢測時間長、對檢測環(huán)境要求較高等。由于CT設(shè)備需要高精度的X射線源和探測器，以及強大的計算機處理能力，導(dǎo)致其成本相對較高。CT檢測需要對貯箱進行多角度掃描，獲取大量的數(shù)據(jù)，因此檢測時間較長。CT檢測對檢測環(huán)境的穩(wěn)定性和屏蔽要求也較高，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.3數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)3.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)傳輸與存儲設(shè)備等部分組成。傳感器作為數(shù)據(jù)采集的前端設(shè)備，負(fù)責(zé)感知低溫復(fù)合材料貯箱的各種物理參數(shù)，如應(yīng)變、溫度、壓力、振動等。不同類型的傳感器具有各自獨特的工作原理和適用范圍，需根據(jù)監(jiān)測需求進行合理選擇。在測量低溫復(fù)合材料貯箱的應(yīng)變時，可選用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器或電阻應(yīng)變片。FBG傳感器利用光纖的布拉格反射原理，對應(yīng)變的測量精度高，且具有抗電磁干擾、可分布式測量等優(yōu)點；電阻應(yīng)變片則基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)，具有成本低、安裝方便等特點。信號調(diào)理模塊的作用是對傳感器輸出的信號進行預(yù)處理，使其滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求。由于傳感器輸出的信號通常較為微弱，且可能包含噪聲和干擾，信號調(diào)理模塊需要對信號進行放大、濾波、調(diào)制等處理。通過放大電路將微弱的電信號放大到合適的幅值，以便數(shù)據(jù)采集卡能夠準(zhǔn)確采集；利用濾波電路去除信號中的高頻噪聲和低頻干擾，提高信號的質(zhì)量；采用調(diào)制技術(shù)將信號的某些特征參數(shù)進行調(diào)整，使其更易于傳輸和處理。數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接嬎銠C或其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備中。數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)包括采樣頻率、分辨率、通道數(shù)等。采樣頻率決定了數(shù)據(jù)采集卡每秒采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，對于變化較快的物理量，需要較高的采樣頻率才能準(zhǔn)確捕捉其變化信息。在監(jiān)測低溫復(fù)合材料貯箱的沖擊響應(yīng)時，由于沖擊信號的持續(xù)時間較短，變化迅速，需要數(shù)據(jù)采集卡具有較高的采樣頻率，如100kHz以上，以確保能夠準(zhǔn)確記錄沖擊信號的特征。分辨率則表示數(shù)據(jù)采集卡對模擬信號的量化精度，分辨率越高，采集到的數(shù)據(jù)越接近真實值。通道數(shù)決定了數(shù)據(jù)采集卡能夠同時采集的信號數(shù)量，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模和需求，可選擇不同通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)傳輸與存儲設(shè)備用于將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理和分析，并對數(shù)據(jù)進行長期存儲，以便后續(xù)查詢和研究。常見的數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸如以太網(wǎng)、USB等，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點；無線傳輸如藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等，具有安裝方便、靈活性高等特點。數(shù)據(jù)存儲設(shè)備可以采用硬盤、固態(tài)硬盤、存儲卡等，根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小和存儲需求，選擇合適的存儲設(shè)備。為了保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，還可以采用數(shù)據(jù)備份和冗余存儲技術(shù)，防止數(shù)據(jù)丟失。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度要求方面，需要根據(jù)低溫復(fù)合材料貯箱的監(jiān)測需求和實際應(yīng)用場景來確定。對于一些對精度要求較高的監(jiān)測參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度應(yīng)滿足工程實際的要求。一般來說，應(yīng)變測量的精度應(yīng)達(dá)到微應(yīng)變級別，溫度測量的精度應(yīng)達(dá)到0.1℃以內(nèi)。為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，需要對系統(tǒng)進行定期校準(zhǔn)和維護，確保傳感器、信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡等部件的性能穩(wěn)定可靠。在使用過程中，還需要考慮環(huán)境因素對數(shù)據(jù)采集精度的影響，如溫度、濕度、電磁干擾等，并采取相應(yīng)的防護措施。3.3.2信號處理方法在低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，傳感器采集到的信號往往包含各種噪聲和干擾，且信號特征較為復(fù)雜，需要采用有效的信號處理方法對其進行處理，以提取出能夠反映貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的關(guān)鍵信息。濾波是信號處理中常用的方法之一，其目的是去除信號中的噪聲和干擾，提高信號的質(zhì)量。常見的濾波方法包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等。低通濾波可以去除信號中的高頻噪聲，保留低頻信號成分；高通濾波則相反，去除低頻噪聲，保留高頻信號；帶通濾波允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率的信號；帶阻濾波則阻止特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，保留其他頻率的信號。在低溫復(fù)合材料貯箱的振動監(jiān)測中，由于環(huán)境噪聲和其他干擾信號的存在，可能會影響對貯箱結(jié)構(gòu)振動信號的分析。此時，可以采用帶通濾波方法，設(shè)置合適的頻率范圍，去除噪聲和干擾信號，保留與貯箱結(jié)構(gòu)振動相關(guān)的頻率成分，從而更準(zhǔn)確地分析貯箱的振動狀態(tài)。降噪是進一步提高信號質(zhì)量的重要手段。除了濾波方法外，還可以采用其他降噪技術(shù)，如小波降噪、自適應(yīng)濾波降噪等。小波降噪基于小波變換的原理，將信號分解為不同頻率的小波系數(shù)，通過對小波系數(shù)進行閾值處理，去除噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)，然后重構(gòu)信號，達(dá)到降噪的目的。自適應(yīng)濾波降噪則根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，自動調(diào)整濾波器的參數(shù)，以適應(yīng)不同的噪聲環(huán)境，從而實現(xiàn)對信號的有效降噪。在處理低溫復(fù)合材料貯箱的聲發(fā)射信號時，由于聲發(fā)射信號非常微弱，且容易受到環(huán)境噪聲的干擾，采用小波降噪技術(shù)可以有效地去除噪聲，提高聲發(fā)射信號的信噪比，便于后續(xù)對聲發(fā)射信號的特征提取和分析。特征提取是從處理后的信號中提取出能夠反映低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)的過程。這些特征參數(shù)可以作為損傷識別和狀態(tài)評估的依據(jù)。常見的特征提取方法包括時域特征提取、頻域特征提取和時頻域特征提取等。時域特征提取主要提取信號在時間域上的特征，如均值、方差、峰值、峭度等。均值反映了信號的平均水平，方差表示信號的波動程度，峰值可以反映信號的最大幅值，峭度則用于衡量信號的脈沖性。在分析低溫復(fù)合材料貯箱的應(yīng)變信號時，通過計算應(yīng)變信號的均值和方差，可以了解貯箱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和應(yīng)變分布情況；利用峰值和峭度等特征參數(shù)，可以判斷是否存在異常應(yīng)變或沖擊事件。頻域特征提取則將信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域，分析信號的頻率成分和頻譜特征。常用的頻域分析方法包括傅里葉變換、功率譜估計等。傅里葉變換可以將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，得到信號的頻譜圖，通過分析頻譜圖可以了解信號中不同頻率成分的分布情況。功率譜估計則用于估計信號的功率譜密度，反映信號的能量在頻率域上的分布。在研究低溫復(fù)合材料貯箱的振動特性時，通過對振動信號進行傅里葉變換和功率譜估計，可以得到貯箱結(jié)構(gòu)的固有頻率、振動模態(tài)等信息，從而判斷貯箱結(jié)構(gòu)是否存在異常振動或損傷。時頻域特征提取結(jié)合了時域和頻域的分析方法，能夠同時反映信號在時間和頻率上的變化特征。常見的時頻域分析方法包括小波變換、短時傅里葉變換、Wigner-Ville分布等。小波變換可以在不同的時間尺度上對信號進行分析，具有良好的時頻局部化特性，能夠有效地提取信號的時頻特征。短時傅里葉變換則通過對信號加窗，在較短的時間窗口內(nèi)進行傅里葉變換，得到信號在不同時間點的頻譜信息。Wigner-Ville分布是一種雙線性時頻分布，能夠更準(zhǔn)確地反映信號的時頻特性，但存在交叉項干擾的問題。在處理低溫復(fù)合材料貯箱的沖擊信號時，采用小波變換可以分析沖擊信號在不同時間尺度上的頻率變化特征，從而更準(zhǔn)確地確定沖擊的發(fā)生時間、強度和持續(xù)時間等信息。四、健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)4.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計4.1.1硬件架構(gòu)低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要由傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳輸設(shè)備組成，各部分協(xié)同工作，確保能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取和傳輸貯箱的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。傳感設(shè)備是整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端感知單元，負(fù)責(zé)采集低溫復(fù)合材料貯箱的各種物理參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測需求的不同，選用了多種類型的傳感器，包括光纖傳感器、壓電傳感器、溫度傳感器和應(yīng)變片等。光纖傳感器中的光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，能夠高精度地測量貯箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度變化。在貯箱的關(guān)鍵受力部位，如封頭與筒體的連接處、接管部位等，密集布設(shè)FBG傳感器，以實時監(jiān)測這些部位的應(yīng)變情況。壓電傳感器則主要用于監(jiān)測貯箱受到的沖擊和振動信號。在貯箱的外表面，均勻分布壓電傳感器，當(dāng)貯箱受到外部沖擊或發(fā)生振動時，壓電傳感器能夠迅速響應(yīng)，將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。溫度傳感器用于測量貯箱內(nèi)部和外部的溫度，采用高精度的熱電偶或熱電阻傳感器，確保溫度測量的準(zhǔn)確性。在貯箱的不同位置，如頂部、底部和側(cè)面，分別安裝溫度傳感器，以全面監(jiān)測貯箱的溫度分布情況。應(yīng)變片則粘貼在貯箱結(jié)構(gòu)的表面，用于測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，其具有成本低、安裝方便等優(yōu)點。在一些對成本較為敏感的部位，可選用應(yīng)變片進行應(yīng)變監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的作用是將傳感設(shè)備輸出的信號進行采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸和分析。它主要包括信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡。信號調(diào)理模塊對傳感設(shè)備輸出的信號進行放大、濾波、調(diào)制等處理，使其滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求。由于傳感器輸出的信號通常較為微弱，且可能包含噪聲和干擾，信號調(diào)理模塊通過放大電路將微弱的電信號放大到合適的幅值，利用濾波電路去除信號中的高頻噪聲和低頻干擾，采用調(diào)制技術(shù)將信號的某些特征參數(shù)進行調(diào)整，使其更易于傳輸和處理。數(shù)據(jù)采集卡則負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其傳輸?shù)缴衔粰C進行進一步處理。選用具有高速采樣率和高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡，以確保能夠準(zhǔn)確采集到傳感器輸出的信號。對于變化較快的沖擊信號和振動信號，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率應(yīng)達(dá)到100kHz以上，分辨率應(yīng)達(dá)到16位以上，以保證采集到的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映信號的特征。傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C或其他數(shù)據(jù)處理中心。常見的傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸方式如以太網(wǎng)、USB等，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在監(jiān)測系統(tǒng)中，對于數(shù)據(jù)傳輸量較大、實時性要求較高的情況，優(yōu)先采用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。通過將數(shù)據(jù)采集卡與以太網(wǎng)接口相連，利用網(wǎng)絡(luò)交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定傳輸。無線傳輸方式如藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等，具有安裝方便、靈活性高等特點。在一些難以布線的場合，如貯箱的現(xiàn)場監(jiān)測或移動監(jiān)測中，可采用無線傳輸方式。藍(lán)牙適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離一般在10米以內(nèi)，常用于傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的近距離通信。Wi-Fi則適用于中距離的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離一般在幾十米到上百米，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與上位機之間的無線通信。ZigBee是一種低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，傳輸距離一般在幾十米以內(nèi)，常用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的具體需求和現(xiàn)場環(huán)境，選擇合適的傳輸方式或多種傳輸方式相結(jié)合，以確保數(shù)據(jù)能夠可靠地傳輸。4.1.2軟件架構(gòu)軟件架構(gòu)是低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲以及可視化展示，為操作人員提供直觀、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)健康信息，以便及時做出決策。軟件架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、數(shù)據(jù)存儲軟件和可視化軟件等模塊，各模塊之間相互協(xié)作，共同實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的功能。數(shù)據(jù)處理軟件主要負(fù)責(zé)對傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括濾波、降噪、特征提取等操作。濾波是去除數(shù)據(jù)中噪聲和干擾的重要步驟，采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)進行處理，如低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等。在處理振動信號時，通過低通濾波器去除高頻噪聲，保留低頻的振動信號成分，以提高信號的質(zhì)量。降噪則是進一步提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用小波降噪、自適應(yīng)濾波降噪等方法對數(shù)據(jù)進行降噪處理。利用小波變換將信號分解為不同頻率的小波系數(shù)，通過對小波系數(shù)進行閾值處理，去除噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)，然后重構(gòu)信號，達(dá)到降噪的目的。特征提取是從處理后的數(shù)據(jù)中提取出能夠反映貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)，如應(yīng)變的最大值、最小值、均值、方差，溫度的變化率，沖擊信號的峰值、持續(xù)時間等。這些特征參數(shù)將作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和損傷識別的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)分析軟件基于處理后的數(shù)據(jù)，運用各種算法和模型對貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行評估和診斷。采用機器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等，對特征參數(shù)進行分類和預(yù)測，判斷貯箱結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的類型和程度。利用支持向量機算法，將正常狀態(tài)下的特征參數(shù)作為訓(xùn)練樣本，建立分類模型，然后將實時采集到的特征參數(shù)輸入模型中，判斷貯箱是否處于正常狀態(tài)。如果判斷結(jié)果為異常，則進一步利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對損傷的類型和程度進行預(yù)測。運用數(shù)據(jù)挖掘算法，如關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、聚類分析等，從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出潛在的信息和規(guī)律，為貯箱的維護和管理提供決策支持。通過關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，發(fā)現(xiàn)溫度、壓力和應(yīng)變等參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)某個參數(shù)發(fā)生異常變化時，能夠及時預(yù)測其他參數(shù)的變化趨勢，提前采取措施進行防范。數(shù)據(jù)存儲軟件負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進行存儲，以便后續(xù)查詢和研究。采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS），如MySQL、Oracle等，對數(shù)據(jù)進行存儲和管理。在數(shù)據(jù)庫中，建立多個數(shù)據(jù)表，分別存儲傳感器的基本信息、采集到的原始數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等。對于原始數(shù)據(jù)，按照時間順序進行存儲，以便后續(xù)進行回溯和分析。分析結(jié)果則與對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)存儲，方便操作人員查看和對比。為了保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，采用數(shù)據(jù)備份和冗余存儲技術(shù)，定期對數(shù)據(jù)庫進行備份，并將備份數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲介質(zhì)上。采用冗余存儲技術(shù)，如磁盤陣列（RAID），提高數(shù)據(jù)的存儲可靠性，防止數(shù)據(jù)丟失。可視化軟件將處理和分析后的數(shù)據(jù)以直觀的圖表、圖形等形式展示給操作人員，便于他們快速了解貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。采用實時曲線、柱狀圖、餅圖等多種可視化方式，展示傳感器的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果。以實時曲線的形式展示應(yīng)變、溫度等參數(shù)隨時間的變化趨勢，使操作人員能夠直觀地觀察到參數(shù)的變化情況。通過柱狀圖對比不同部位的應(yīng)變大小，幫助操作人員快速定位應(yīng)變較大的區(qū)域。利用餅圖展示不同類型損傷的占比情況，讓操作人員對貯箱的整體健康狀況有一個清晰的認(rèn)識?？梢暬浖€提供報警功能，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值時，及時發(fā)出警報，提醒操作人員采取相應(yīng)的措施。在軟件界面上設(shè)置醒目的報警提示，同時通過短信、郵件等方式將報警信息發(fā)送給相關(guān)人員，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。4.2傳感器布局優(yōu)化4.2.1布局原則傳感器布局是低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其合理性直接影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在進行傳感器布局時，需要綜合考慮多個重要因素，以確保能夠全面、準(zhǔn)確地獲取貯箱結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息。均勻性是傳感器布局的重要原則之一。均勻分布的傳感器能夠更全面地監(jiān)測貯箱結(jié)構(gòu)的各個部位，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。在低溫復(fù)合材料貯箱的筒身部分，應(yīng)均勻布設(shè)光纖傳感器和應(yīng)變片，以實時監(jiān)測該區(qū)域的應(yīng)變分布情況。如果傳感器布局不均勻，可能會導(dǎo)致某些區(qū)域的應(yīng)變變化無法被及時捕捉到，從而影響對貯箱結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的準(zhǔn)確評估。通過均勻布局傳感器，可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和代表性，為后續(xù)的損傷識別和狀態(tài)評估提供更可靠的依據(jù)。覆蓋范圍也是傳感器布局需要重點考慮的因素。應(yīng)確保傳感器能夠覆蓋貯箱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和易損區(qū)域。在貯箱的封頭與筒體連接處、接管部位等，這些部位由于受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和損傷，因此需要密集布設(shè)傳感器。在封頭與筒體連接處，應(yīng)布置多個光纖布拉格光柵傳感器和壓電傳感器，以監(jiān)測該部位的應(yīng)力、應(yīng)變和沖擊信號。通過對這些關(guān)鍵部位和易損區(qū)域的有效覆蓋，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的損傷隱患，為采取相應(yīng)的修復(fù)措施提供寶貴的時間。靈敏度也是影響傳感器布局的重要因素。不同類型的傳感器對不同物理量的靈敏度不同，在布局時應(yīng)根據(jù)監(jiān)測需求選擇靈敏度高的傳感器，并將其布置在能夠最有效感知被測量的位置。在監(jiān)測低溫復(fù)合材料貯箱的沖擊信號時，應(yīng)選擇靈敏度高的壓電傳感器，并將其布置在貯箱的外表面，以確保能夠及時、準(zhǔn)確地捕捉到?jīng)_擊信號。對于需要高精度測量應(yīng)變的部位，應(yīng)選擇精度高、靈敏度好的光纖傳感器或應(yīng)變片進行布置。還需考慮傳感器之間的相互影響。在布局傳感器時，應(yīng)避免傳感器之間的信號干擾和相互遮擋。不同類型的傳感器可能會產(chǎn)生不同類型的信號干擾，如電磁干擾、聲波干擾等。在布置壓電傳感器和光纖傳感器時，應(yīng)注意它們之間的距離，避免壓電傳感器產(chǎn)生的電磁干擾影響光纖傳感器的信號傳輸。傳感器的安裝位置也應(yīng)避免相互遮擋，確保每個傳感器都能夠正常工作，準(zhǔn)確獲取被測量信息。在實際工程應(yīng)用中，還可以通過實驗和模擬分析等方法，對傳感器布局方案進行優(yōu)化和驗證。通過在低溫實驗平臺上進行模擬實驗，測試不同布局方案下傳感器的監(jiān)測效果，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而確定最佳的傳感器布局方案。利用有限元分析軟件對貯箱結(jié)構(gòu)進行模擬分析，預(yù)測不同部位的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，為傳感器的布局提供理論依據(jù)。4.2.2優(yōu)化方法為了實現(xiàn)傳感器的合理布局，提高監(jiān)測系統(tǒng)的性能，可采用基于有限元分析和智能算法的傳感器布局優(yōu)化方法。基于有限元分析的傳感器布局優(yōu)化方法，是利用有限元分析軟件建立低溫復(fù)合材料貯箱的精確數(shù)值模型。在建立模型時，需要考慮貯箱的材料特性、結(jié)構(gòu)形式、邊界條件以及載荷工況等因素。通過對貯箱結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，得到結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。根據(jù)這些分布情況，確定貯箱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和易損區(qū)域，為傳感器的布局提供重要依據(jù)。在分析貯箱在內(nèi)部壓力和溫度載荷作用下的應(yīng)力分布時，發(fā)現(xiàn)貯箱的接管部位和封頭與筒體連接處的應(yīng)力集中較為明顯，因此在這些部位應(yīng)重點布置傳感器?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，可采用一些優(yōu)化準(zhǔn)則來確定傳感器的最優(yōu)布局。常見的優(yōu)化準(zhǔn)則包括模態(tài)置信準(zhǔn)則、有效獨立準(zhǔn)則等。模態(tài)置信準(zhǔn)則是通過計算結(jié)構(gòu)的模態(tài)置信度來評估傳感器布局的合理性，模態(tài)置信度越高，說明傳感器布局越能夠準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。有效獨立準(zhǔn)則則是通過計算傳感器對結(jié)構(gòu)模態(tài)的貢獻(xiàn)度，選擇對結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度大的位置作為傳感器的布置點。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的監(jiān)測需求和結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的優(yōu)化準(zhǔn)則進行傳感器布局優(yōu)化。通過有限元分析確定了貯箱的關(guān)鍵部位后，利用有效獨立準(zhǔn)則，在這些關(guān)鍵部位選擇對結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度大的位置布置傳感器，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)模態(tài)變化的敏感度。智能算法在傳感器布局優(yōu)化中也具有重要的應(yīng)用價值。智能算法能夠根據(jù)一定的規(guī)則和算法，通過迭代優(yōu)化，尋找最佳的傳感器布設(shè)方案。常見的智能算法包括遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等。這些算法可以在不同的情況下，根據(jù)具體的需求，實現(xiàn)傳感器布設(shè)的優(yōu)化。遺傳算法是一種基于生物進化理論的優(yōu)化算法，它通過模擬自然選擇和遺傳變異的過程，尋找最優(yōu)解。在傳感器布局優(yōu)化中，遺傳算法將傳感器的布局方案編碼為染色體，通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，不斷優(yōu)化染色體，從而得到最優(yōu)的傳感器布局方案。在利用遺傳算法進行傳感器布局優(yōu)化時，首先隨機生成一組初始的傳感器布局方案作為種群，然后計算每個方案的適應(yīng)度值，適應(yīng)度值越高，表示該方案越優(yōu)。根據(jù)適應(yīng)度值，選擇優(yōu)秀的方案進行交叉和變異操作，生成新的方案，不斷迭代，直到滿足終止條件，得到最優(yōu)的傳感器布局方案。蟻群算法是一種模擬螞蟻覓食行為的優(yōu)化算法。螞蟻在覓食過程中會釋放信息素，信息素會隨著時間逐漸揮發(fā)，同時螞蟻會根據(jù)信息素的濃度選擇路徑。在傳感器布局優(yōu)化中，蟻群算法將傳感器的布局位置看作是螞蟻的路徑選擇，通過信息素的更新和螞蟻的路徑選擇，逐漸找到最優(yōu)的傳感器布局方案。在實際應(yīng)用中，蟻群算法首先初始化信息素濃度，然后螞蟻根據(jù)信息素濃度和啟發(fā)式信息選擇傳感器的布局位置。每只螞蟻完成布局后，根據(jù)布局方案的優(yōu)劣更新信息素濃度，信息素濃度越高的位置，被后續(xù)螞蟻選擇的概率越大。通過多次迭代，螞蟻會逐漸聚集到最優(yōu)的傳感器布局位置，從而得到最優(yōu)的布局方案。粒子群算法是一種模擬鳥群覓食行為的優(yōu)化算法。在粒子群算法中，每個粒子代表一個傳感器布局方案，粒子在解空間中飛行，通過不斷調(diào)整自己的位置和速度，尋找最優(yōu)解。粒子的速度和位置更新受到自身歷史最優(yōu)位置和群體歷史最優(yōu)位置的影響。在利用粒子群算法進行傳感器布局優(yōu)化時，首先隨機初始化粒子的位置和速度，然后計算每個粒子的適應(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度值更新粒子的歷史最優(yōu)位置和群體歷史最優(yōu)位置。根據(jù)更新后的位置和速度公式，調(diào)整粒子的位置和速度，不斷迭代，直到滿足終止條件，得到最優(yōu)的傳感器布局方案。4.3數(shù)據(jù)融合與狀態(tài)評估4.3.1數(shù)據(jù)融合算法在低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，數(shù)據(jù)融合算法起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)碜圆煌瑐鞲衅鞯亩嘣磾?shù)據(jù)進行有效整合，提高監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性和可靠性。常見的數(shù)據(jù)融合算法包括加權(quán)平均、卡爾曼濾波等，下面將詳細(xì)介紹這些算法的原理與應(yīng)用。加權(quán)平均算法是一種較為簡單直觀的數(shù)據(jù)融合方法，其基本原理是根據(jù)各個傳感器數(shù)據(jù)的可靠性或重要程度，為每個數(shù)據(jù)分配一個相應(yīng)的權(quán)重，然后對這些帶有權(quán)重的數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，得到融合后的結(jié)果。假設(shè)存在n個傳感器，其測量數(shù)據(jù)分別為x_1,x_2,\cdots,x_n，對應(yīng)的權(quán)重分別為w_1,w_2,\cdots,w_n，且\sum_{i=1}^{n}w_i=1，則加權(quán)平均融合后的數(shù)據(jù)X可表示為：X=\sum_{i=1}^{n}w_ix_i。在低溫復(fù)合材料貯箱的溫度監(jiān)測中，若同時使用了多個溫度傳感器，由于不同傳感器的精度和可靠性存在差異，可根據(jù)其精度等級為每個傳感器分配權(quán)重。對于精度較高的傳感器，賦予較大的權(quán)重；對于精度較低的傳感器，賦予較小的權(quán)重。通過加權(quán)平均算法對這些溫度數(shù)據(jù)進行融合，能夠得到更準(zhǔn)確的溫度信息，從而更準(zhǔn)確地評估貯箱的溫度狀態(tài)。加權(quán)平均算法的優(yōu)點是計算簡單、易于實現(xiàn)，能夠快速得到融合結(jié)果。該算法對傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求較高，如果某個傳感器數(shù)據(jù)存在較大誤差，可能會對融合結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在實際應(yīng)用中，需要對傳感器數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格的預(yù)處理和質(zhì)量評估，以確保加權(quán)平均算法的有效性。卡爾曼濾波算法是一種基于狀態(tài)空間模型的遞歸濾波算法，廣泛應(yīng)用于動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)估計和數(shù)據(jù)融合。其核心思想是利用系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測方程，結(jié)合前一時刻的狀態(tài)估計值和當(dāng)前的觀測值，通過遞推的方式不斷更新狀態(tài)估計值，以獲得最優(yōu)的估計結(jié)果。卡爾曼濾波算法的基本步驟包括預(yù)測和更新兩個階段。在預(yù)測階段，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，預(yù)測當(dāng)前時刻的狀態(tài)估計值和協(xié)方差。假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為x_k=A_kx_{k-1}+B_ku_{k-1}+w_{k-1}，其中x_k表示k時刻的狀態(tài)向量，A_k是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B_k是控制輸入矩陣，u_{k-1}是k-1時刻的控制輸入，w_{k-1}是過程噪聲。則k時刻的狀態(tài)預(yù)測值\hat{x}_{k|k-1}為：\hat{x}_{k|k-1}=A_k\hat{x}_{k-1|k-1}+B_ku_{k-1}，狀態(tài)預(yù)測協(xié)方差P_{k|k-1}為：P_{k|k-1}=A_kP_{k-1|k-1}A_k^T+Q_{k-1}，其中Q_{k-1}是過程噪聲協(xié)方差。在更新階段，根據(jù)觀測方程和當(dāng)前的觀測值，對預(yù)測結(jié)果進行修正，得到更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計值。假設(shè)觀測方程為z_k=H_kx_k+v_k，其中z_k表示k時刻的觀測向量，H_k是觀測矩陣，v_k是觀測噪聲。則卡爾曼增益K_k為：K_k=P_{k|k-1}H_k^T(H_kP_{k|k-1}H_k^T+R_k)^{-1}，其中R_k是觀測噪聲協(xié)方差。k時刻的狀態(tài)估計值\hat{x}_{k|k}為：\hat{x}_{k|k}=\hat{x}_{k|k-1}+K_k(z_k-H_k\hat{x}_{k|k-1})，狀態(tài)估計協(xié)方差P_{k|k}為：P_{k|k}=(I-K_kH_k)P_{k|k-1}，其中I是單位矩陣。在低溫復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，卡爾曼濾波算法可用于融合多個傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)狀態(tài)的精確估計。在監(jiān)測貯箱的位移和應(yīng)力時，可利用卡爾曼濾波算法融合位移傳感器和應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)。通過建立貯箱結(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型，將位移和應(yīng)力作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，根據(jù)傳感器的測量數(shù)據(jù)，利用卡爾曼濾波算法不斷更新狀態(tài)估計值，從而更準(zhǔn)確地獲取貯箱結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化情況。卡爾曼濾波算法能夠有效地處理動態(tài)系統(tǒng)中的噪聲和不確定性，具有較高的估計精度和實時性。該算法要求系統(tǒng)具有線性動力學(xué)模型，且系統(tǒng)與傳感器的誤差符合高斯白噪聲模型。在實際應(yīng)用中，若系統(tǒng)是非線性的或噪聲不符合高斯白噪聲模型，需要對卡爾曼濾波算法進行改進，如采用擴展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）等算法。4.3.2狀態(tài)評估模型基于數(shù)據(jù)融合結(jié)果，建立科學(xué)合理的貯箱健康狀態(tài)評估模型是實現(xiàn)低溫復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究采用層次分析法（AHP）與模糊綜合評價相結(jié)合的方法，構(gòu)建健康狀態(tài)評估模型，以全面、準(zhǔn)確地評估貯箱的健康狀態(tài)。層次分析法是一種將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的決策方法。在低溫復(fù)合材料貯箱健康狀態(tài)評估中，首先需要確定評估指標(biāo)體系，將貯箱的健康狀態(tài)分為多個層次，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層為低溫復(fù)合材料貯箱的健康狀態(tài)；準(zhǔn)則層可包括力學(xué)性能、物理性能、損傷情況等方面；指標(biāo)層則具體包括應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、裂紋長度、滲漏情況等詳細(xì)指標(biāo)。通過專家打分等方式，確定各層次指標(biāo)之間的相對重要性，構(gòu)建判斷矩陣。利用方根法、特征向量法等方法計算判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，對特征向量進行歸一化處理，得到各指標(biāo)的權(quán)重。模糊綜合評價是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法，它能夠處理評價過程中的模糊性和不確定性。在建立模糊綜合評價模型時，首先需要確定評價因素集和評價等級集。評價因素集為前面確定的指標(biāo)層中的各項指標(biāo)，如U=\{u_1,u_2,\cdots,u_n\}，其中u_i表示第i個評價因素。評價等級集可根據(jù)實際情況分為多個等級，如V=\{v_1,v_2,v_3,v_4\}，分別表示健康、亞健康、輕度損傷、重度損傷。然后，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，確定各評價因素對不同評價等級的隸屬度，構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。模糊關(guān)系矩陣R中的元素r_{ij}表示第i個評價因素對第j個評價等級的隸屬度。最后，將層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重向量W與模糊關(guān)系矩陣R進行模糊合成運算，得到綜合評價結(jié)果向量B。模糊合成運算可采用加權(quán)平均型算子，如B=W\cdotR，其中\(zhòng)cdot表示模糊合成運算。綜合評價結(jié)果向量B中的元素b_j表示貯箱健康狀態(tài)對第j個評價等級的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則，確定貯箱的健康狀態(tài)所屬等級。假設(shè)通過層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重向量W=[0.3,0.2,0.25,0.15,0.1]，模糊關(guān)系矩陣R為：\begin{bmatrix}0.7&0.2&0.1&0\\0.6&0.3&0.1&0\\0.5&0.3&0.15&0.05\\0.4&0.3&0.2&0.1\\0.3&0.4&0.2&0.1\end{bmatrix}則綜合評價結(jié)果向量B為：\begin{align*}B&=W\cdotR\\&=[0.3,0.2,0.25,0.15,0.1]\cdot\begin{bmatrix}0.7&0.2&0.1&0\\0.6&0.3&0.1&0\\0.5&0.3&0.15&0.05\\0.4&0.3&0.2&0.1\\0.3&0.4&0.2&0.1\end{bmatrix}\\&=[0.555,0.285,0.1275,0.0325]\end{align*}根據(jù)最大隸屬度原則，b_1=0.555最大，因此該低溫復(fù)合材料貯箱的健康狀態(tài)屬于“健康”等級。通過這種層次分析法與模糊綜合評價相結(jié)合的方法，能夠充分考慮到低溫復(fù)合材料貯箱健康狀態(tài)評估中的各種因素及其不確定性，為貯箱的維護和管理提供科學(xué)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。五、案例分析5.1某航天低溫復(fù)合材料貯箱監(jiān)測案例5.1.1案例背景本案例中的低溫復(fù)合材料貯箱應(yīng)用于某型號運載火箭，主要用于儲存液氫和液氧等低溫推進劑，為火箭的飛行提供動力。該貯箱采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，由內(nèi)襯層、復(fù)合材料層和外保護層組成。內(nèi)襯層采用具有良好低溫密封性能的金屬箔材料，能夠有效防止低溫推進劑的滲漏；復(fù)合材料層則選用高強度的碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，通過精確的纏繞工藝制成，承擔(dān)著主要的承載任務(wù)；外保護層采用耐候性和耐磨性良好的聚合物材料，用于保護復(fù)合材料層免受外部環(huán)境的侵蝕。貯箱的基本參數(shù)如下：內(nèi)徑為3米，高度為8米，設(shè)計壓力為1.5MPa，工作溫度范圍為-253℃（液氫溫度）至-183℃（液氧溫度）。在火箭發(fā)射和飛行過程中，該貯箱需要承受巨大的壓力、振動和溫度變化等載荷，對其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測至關(guān)重要。由于低溫復(fù)合材料貯箱在航天領(lǐng)域的關(guān)鍵作用以及其復(fù)雜的工作環(huán)境，一旦發(fā)生故障，將對火箭發(fā)射任務(wù)造成嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致發(fā)射失敗。因此，為了確保火箭的安全運行，對該低溫復(fù)合材料貯箱實施了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。5.1.2監(jiān)測系統(tǒng)實施監(jiān)測系統(tǒng)的搭建過程充分考慮了貯箱的結(jié)構(gòu)特點和工作環(huán)境。在傳感設(shè)備方面，選用了多種類型的傳感器，以實現(xiàn)對貯箱結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面監(jiān)測。在貯箱的關(guān)鍵受力部位，如封頭與筒體的連接處、接管部位等，密集布設(shè)了光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，共計30個。這些傳感器能夠高精度地測量貯箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度變化，通過測量光纖中布拉格光柵的波長漂移，可實時獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度信息。在貯箱的外表面，均勻分布了10個壓電傳感器，用于監(jiān)測貯箱受到的沖擊和振動信號。當(dāng)貯箱受到外部沖擊或發(fā)生振動時，壓電傳感器會產(chǎn)生電荷信號，通過對這些信號的分析，可判斷沖擊的強度和振動的頻率等參數(shù)。還在貯箱的不同位置安裝了5個溫度傳感器，采用高精度的熱電偶，以全面監(jiān)測貯箱的溫度分布情況。數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用了具有高速采樣率和高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡，采樣率達(dá)到200kHz，分辨率為16位。信號調(diào)理模塊對傳感設(shè)備輸出的信號進行放大、濾波、調(diào)制等處理，確保數(shù)據(jù)采集卡能夠準(zhǔn)確采集到信號。傳輸設(shè)備采用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C進行處理和分析。在傳感器布局方面，遵循均勻性、覆蓋范圍和靈敏度等原則。光纖傳感器在貯箱的關(guān)鍵部位均勻分布，確保能夠全面監(jiān)測這些部位的應(yīng)變和溫度變化。壓電傳感器均勻分布在貯箱外表面，以覆蓋整個貯箱的沖擊和振動監(jiān)測范圍。溫度傳感器則安裝在貯箱的頂部、底部和側(cè)面等關(guān)鍵位置，以獲取不同位置的溫度信息。通過合理的傳感器布局，實現(xiàn)了對貯箱結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面、準(zhǔn)確監(jiān)測。在安裝過程中，嚴(yán)格按照傳感器的安裝要求進行操作，確保傳感器與貯箱結(jié)構(gòu)緊密貼合，保證信號的準(zhǔn)確傳輸。對于光纖傳感器，采用特殊的粘貼工藝，確保其在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。對所有傳感器進行了校準(zhǔn)和調(diào)試，確保其測量精度和性能滿足監(jiān)測要求。5.1.3監(jiān)測結(jié)果與分析在火箭發(fā)射前的準(zhǔn)備階段以及發(fā)射后的飛行過程中，監(jiān)測系統(tǒng)實時采集并記錄了大量的數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，能夠清晰地了解貯箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。在應(yīng)變監(jiān)測方面，通過光纖布拉格光柵傳感器采集到的數(shù)據(jù)顯示，在火箭發(fā)射時，貯箱的封頭與筒體連接處的應(yīng)變迅速增大，達(dá)到了1000微應(yīng)變左右，隨后在飛行過程中逐漸穩(wěn)定在500微應(yīng)變左右。通過對不同位置光纖傳感器數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)貯箱筒體部分的應(yīng)變分布較為均勻，而在接管部位存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)變值相對較高。這與有限元分析的結(jié)果相吻合，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在溫度監(jiān)測方面，溫度傳感器數(shù)據(jù)表明，在貯箱充裝低溫推進劑時，內(nèi)部溫度迅速下降至液氫或液氧的工作溫度，且各位置的溫度分布存在一定差異。貯箱頂部的溫度略高于底部，這是由于低溫推進劑的蒸發(fā)和對流導(dǎo)致的。在火箭飛行過程中，隨著推進劑的消耗，貯箱內(nèi)部溫度逐漸升高，但仍保持在安全范圍內(nèi)。在沖擊和振動監(jiān)測方面，壓電傳感器記錄到了火箭發(fā)射和飛行過程中的多次沖擊和振動事件。通過對沖擊信號的分析，確定了沖擊的來源和強