《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Model-Assisted Debonding Diagnosis in Heterogeneous Structures Using Guided Waves
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针对可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicles, RLVs）多层异质结构地面试验中存在导波传播机理不明、实验成本高及复杂度大的问题，研究人员开展了基于导波的脱粘损伤定量诊断模型辅助方法研究。本研究的核心创新在于提出了一种振幅-相位对齐方
针对可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicles, RLVs）多层异质结构地面试验中存在导波传播机理不明、实验成本高及复杂度大的问题，研究人员开展了基于导波的脱粘损伤定量诊断模型辅助方法研究。本研究的核心创新在于提出了一种振幅-相位对齐方法（Amplitude-and-Phase Alignment Method, APAM），用于关联仿真信号与实验信号。通过建立高保真仿真模型，引入增加阻尼的吸收层抑制边界反射，设计硅胶浸润层（Silicone Rubber-Infused Layer, SRIL）优化相位对齐，并应用瑞利阻尼（Rayleigh damping）校正振幅衰减，实现了仿真与实验在振幅及相位特性上的高度一致。实验验证表明，该模型在损伤敏感路径上的平均振幅衰减误差仅为6.6%，相位误差低于2%。基于此，研究人员系统探究了结构状态变化对导波传播特性的影响，发现相位损伤因子对结构脱粘表现出更高的灵敏度，是定量诊断模型更可靠的输入参数。此外，仅需少量健康试件数据校准，该模型即可生成大量脱粘信号样本用于训练概率挖掘模型，直接实现对实验脱粘损伤的高精度定量诊断，平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）低至8.6%。所提出的高保真模型有效扩充了样本库，为基于概率挖掘的定量损伤诊断提供了可靠数据支撑，显著降低了实验成本并提升了监测可靠性。
研究背景与意义
随着航天技术的发展，可重复使用运载器（RLVs）作为新一代天地往返运输系统，承担着降低太空进入成本的使命。然而，RLVs服役环境极端恶劣，涉及气动热、强噪声、剧烈振动及高过载等多物理场耦合。其独特的多层异质结构由非承载热防护系统（Thermal Protection System, TPS）与主承力结构组成，极易在热力声耦合作用下发生材料退化与连接失效。特别是刚性陶瓷纤维隔热瓦通过应变隔离垫（Strain Isolation Pad, SIP）粘接于机体主结构（Primary Structure, PS）形成的PS-BTPS结构，由于层间阻抗不连续，导波传播机制极为复杂。现有的研究多局限于色散分析或单一实验验证，缺乏对振幅与相位的全面表征，且全尺寸地面试验成本极高、实施困难。因此，开发面向此类结构的仿真建模与损伤诊断方法，对于保障飞行安全、降低维护成本具有重要的工程价值。该研究发表于《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》。
关键技术方法
研究人员基于COMSOL Multiphysics构建了高保真多物理场仿真模型。核心技术包括：提出振幅-相位对齐方法（APAM），通过引入增加阻尼的吸收层抑制边界反射；设计硅胶浸润层（SRIL）优化相位对齐；应用瑞利阻尼（Rayleigh damping）校正振幅衰减。研究采用健康试件实验数据进行模型校准，通过对比仿真与实验信号的振幅衰减率与相位特征验证模型精度。在损伤诊断层面，利用校准后的模型生成大量脱粘信号样本训练概率挖掘模型，实现了从实验监测信号到结构损伤的定量映射。
研究结果
高保真仿真建模方法
研究人员首先建立了多层异质结构的有限元建模框架与导波传播设置。详细阐述了基于APAM的仿真优化流程，包括SRIL的材料属性设置、瑞利阻尼系数的优化方法以及振幅衰减率与误差的计算方法，确立了实现信号对齐的具体技术路径。
数值模拟与验证分析
利用健康试件的实验数据，研究人员完成了仿真模型的校准。通过对仿真与实验信号在振幅衰减和相位特性上的对比评估，验证了所建立模型的高精度与可靠性。结果表明，该模型能够准确复现导波在实际复杂结构中的传播行为，为后续损伤分析奠定了数据基础。
脱粘损伤定量诊断验证
研究人员构建了模型辅助的脱粘损伤定量诊断整体框架。通过对脱粘损伤指标的灵敏度分析，比较了基于振幅与基于相位的指标差异，发现相位损伤因子对结构脱粘更为敏感。随后，利用仿真生成的样本库开发了定量诊断模型，并以平均绝对百分比误差（MAPE）为主要性能指标进行验证，证实该方法可实现高精度诊断。
结论与讨论
本研究成功建立了一种模型辅助的导波脱粘损伤定量诊断方法。通过引入吸收层、创新的SRIL及瑞利阻尼，解决了多层异质结构中导波传播的仿真难题，实现了仿真与实验信号的高度一致。研究证实，相位特征比振幅特征更适合作为定量诊断的输入变量。该技术仅需极少量的实测数据即可通过仿真扩充训练样本，显著克服了航空航天领域因实验条件限制导致的数据匮乏问题，为复杂异质结构的结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）提供了一种低成本、高可靠性的解决方案。
