空天多层异构结构压电导波传播特性仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32366

中国飞机强度研究所建所 60 周年专刊

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空天多层异构结构压电导波传播特性仿真

沈君贤, 杨雅惠, 袁慎芳()

南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室结构健康监测与预测研究中心，南京 210016

收稿日期:2025-06-04 修回日期:2025-07-03 接受日期:2025-07-15 出版日期:2025-07-21 发布日期:2025-07-18
通讯作者: 袁慎芳 E-mail:ysf@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(52275153);江苏省前沿技术研发计划(BF2024068);航空航天结构力学及控制全国重点实验室自主研究课题（南京航空航天大学）(MCAS-I-0423G01);航空航天结构力学及控制全国重点实验室自主研究课题（南京航空航天大学）(MCAS-I-0424G01);南京航空航天大学前瞻布局科研专项资金

Simulation of piezoelectric guided wave propagation characteristics in multilayer heterogeneous structures for aerospace vehicles

Junxian SHEN, Yahui YANG, Shenfang YUAN()

Research Center of Structural Health Monitoring and Prognosis，State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-06-04 Revised:2025-07-03 Accepted:2025-07-15 Online:2025-07-21 Published:2025-07-18
Contact: Shenfang YUAN E-mail:ysf@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52275153);Frontier Technologies Research and Development Program of Jiangsu(BF2024068);Research Fund of State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures （Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）(MCAS-I-0423G01);The Fund of Prospective Layout of Scientific Research for Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

摘要/Abstract

摘要：

针对空天飞行器多层异构结构在复杂服役环境下主动导波损伤监测的迫切需求，开展了多层异构结构的压电导波仿真研究，通过建立多物理场耦合的高精度仿真模型，揭示了导波在多层异构结构中的传播特性、衰减规律，为导波监测方法实现提供设计依据。建立了考虑材料衰减特性的多物理场耦合有限元模型，通过瑞利阻尼模拟黏弹性层对导波的衰减作用；优化多层异构结构的网格划分策略，以平衡计算精度与效率。实验验证表明，所提方法精准模拟了导波衰减行为、传播相位，显著提升了仿真准确性。在引入阻尼模型后，结构中对称（S₀）、反对称（A₀）模式幅值衰减误差分别从122.3%、78.1%降至3.4%、3.6%；网格优化使单元自由度减少66.6%的同时，相位误差控制在0.6%以内。该研究成果为空天多层异构结构的损伤监测提供了高精度仿真方法和理论依据，对保障飞行器安全服役具有重要工程价值。

关键词: 空天多层异构结构, 压电导波, 有限元仿真, 阻尼模型, 传播特性

Abstract:

To address the urgent demand for active guided wave damage monitoring of multilayer heterogeneous structures of aerospace vehicles under complex service conditions， we conduct a simulation study on piezoelectric guided waves in multilayer heterogeneous structures. By establishing a high-precision simulation model of multi-physics field coupling， the propagation characteristics and attenuation laws of guided waves in multilayer heterogeneous structures are revealed， which provides a design basis for the implementation of guided wave monitoring methods. Firstly， a multi-physics field coupling finite element model considering material attenuation characteristics is established， and the attenuation effect of viscoelastic layers on guided waves is simulated by Rayleigh damping. Secondly， the meshing strategy of multilayer heterogeneous structures is optimized to balance the calculation accuracy and efficiency. Experimental verification shows that the proposed method accurately simulates the attenuation behavior and propagation phase of guided waves， significantly improving the simulation accuracy. After introducing the damping model， the amplitude attenuation errors of S₀ and A₀ modes in the structure are reduced from 122.3% and 78.1% to 3.4% and 3.6% respectively； the mesh optimization reduces the element degrees of freedom by 66.6% while keeping the phase error within 0.6%. This research provides a high-precision simulation method and theoretical basis for damage monitoring of aerospace multilayer heterogeneous structures， which has important engineering value for ensuring the safe service of aerospace vehicles.

Key words: multilayer heterogeneous structures of aerospace vehicles, piezoelectric guided wave, finite element simulation, damping model, dispersion characteristics

中图分类号:

V214

沈君贤, 杨雅惠, 袁慎芳. 空天多层异构结构压电导波传播特性仿真[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532366.

Junxian SHEN, Yahui YANG, Shenfang YUAN. Simulation of piezoelectric guided wave propagation characteristics in multilayer heterogeneous structures for aerospace vehicles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(21): 532366.

图/表 14

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参考文献 30

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

部件	6061铝合金	隔热瓦	应变隔离垫	耐高温硅橡胶
密度/（g·cm^-3）	2.75	0.350	0.150	1.18
弹性模量/GPa	70.0	0.283	0.005 23	1.00
泊松比	0.330	0.180	0.310	0.370

参数	相对介电常数/（10^-10 C·N^-1）		压电常数			柔度系数/（10^-12 m²·N^-1）
参数	ε₁₁	ε₃₃	d₃₁	d₃₃	d₁₅	s₁₁	s₁₂	s₁₃	s₃₃	s₅₅	s₆₆
数值	1 730	1 700	-1.71	3.74	5.84	16.4	-5.74	-7.22	18.8	4.75	4.43

导波模式	β/10^-6
导波模式	硅橡胶层	应变隔离垫
S₀模式	8.00	9.00
A₀模式	1.00	1.48

导波模式	信号来源	主承力-隔热瓦结构直达波幅值/V	主承力结构直达波幅值/V	直达波幅值衰减程度/%	误差/%
S₀	实验	1.933	2.521	-23.3
	引入阻尼前仿真	0.606	0.576	5.2	122.3
	引入阻尼后仿真	0.437	0.576	-24.1	3.4
A₀	实验	4.701	6.506	-27.7
	引入阻尼前仿真	1.413	1.505	-6.1	78.1
	引入阻尼后仿真	1.073	1.505	-28.7	3.6

导波模式	信号来源	相位/μs	误差/%
S₀	实验	63.467
	网格优化前	63.283	0.29
	网格优化后	63.367	0.11
A₀	实验	90.567
	网格优化前	89.067	1.70
	网格优化后	88.983	0.60

空天多层异构结构压电导波传播特性仿真

Simulation of piezoelectric guided wave propagation characteristics in multilayer heterogeneous structures for aerospace vehicles

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