薄壁结构件变形的光纤光栅分布检测研究

发布时间：2020-07-09 23:02

【摘要】：薄壁结构件广泛应用于航空航天、船舶、汽车等行业,如飞机机翼、卫星太阳能板、舰船甲板、火箭推进器壳体等均为薄壁结构件,其变形检测技术是各类高端机械装备结构健康监测与故障诊断的关键技术之一,具有广泛的工程应用前景。目前,基于光纤光栅传感技术的薄壁结构件的应变检测与变形重构是该领域重要的研究方向之一。针对薄壁结构件形态变化实时感知与重构的技术要求,本文首先设计了一种光纤光栅应变增敏传感器应用于薄壁结构件变形时的应变检测;然后,建立了基于分布应变信息的薄壁结构件变形重构算法;最终,构建了基于应变-变形的薄壁结构件变形检测系统。论文所做的主要研究工作与贡献如下:(1)针对传统光纤光栅应变传感器难以满足薄壁结构件变形重构对应变测量精度的高要求,通过对光纤光栅应变传递原理的分析,设计了一种基于杠杆结构增敏原理的光纤光栅应变传感器。结合理论与实验,对该传感器的传感特性进行研究,结果表明该传感器的应变灵敏度是传统直接粘贴式光纤光栅应变传感器的5~6倍,其应变测量精度与稳定性远高于裸光纤光栅,能够满足薄壁结构件变形过程中的应变检测要求。(2)针对薄壁结构件的结构特点与变形特征,结合弹性力学理论与有限元分析方法,建立了薄壁结构件应变与变形之间的映射关系,实现了分布应变到薄壁结构件连续曲率信息的数学转化;分析并改进了切角递推算法,并将其扩展为二维曲率递推算法,从而利用连续曲率信息构建薄壁结构件变形状态。通过仿真对比分析证明了该算法在薄壁结构件变形检测上的有效性。(3)搭建了薄壁结构件变形检测实验平台,通过分布布置改进的光纤光栅应变增敏传感器,对薄壁结构件不同位置的二维应变信息进行检测,继而利用推导的二维曲率递推算法对薄壁结构件进行变形重构。利用激光位移传感器与有限元仿真对重构算法的有效性进行验证。结果表明,二维曲率递推算法能够准确的重构薄壁结构件的变形,最大误差不超过6%。基于光纤光栅分布传感的薄壁结构件应变检测与变形重构技术具有良好的工程应用价值。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：

图 1-1 基于曲面片算法的薄板变形重构[24]机翼等薄壁结构件的结构健康与变形检测外，法在其他方面也有一定的应用。Mieloszyk M 等力发电机结构健康的应用，将光纤光栅粘贴于的应变分布，实现对其变形与健康状况的监测置在碳纤维框架上，并将该变形检测框架应用法通过实验得到了有效的验证[28]。国内外众多高校和相关研究机构对各类结构的，然而传统的电类传感器与光学传感器变形检壁结构件变形检测。而利用光纤光栅对结构变优点，但目前对于梁结构和近似梁结构的重构壁结构件的变形重构研究较少，且重构算法复结构的形态进行描述，难以应用于非地面动态基于光纤光栅传感技术的薄壁结构件变形重构

39]-[40]。Liang Ren 等提出了一种光纤光栅管式两边固定支架以及管式结构的变直径设计形剂对光栅栅区应变传递的影响；应用该理论设敏度为 1.996pm/με，并将该传感器应用于大坝固定支架夹持管LLfLg光纤光栅图 1-3 管式光纤光栅增敏原理与结构[41]示，LI 等利用同样的方法设计了应变增敏效(2.52pm/με)；并将其应用于公路桥梁上的长梁桥箱梁上的 24 个应变传感器与 6 个温度系[42]。

(c)图 1-5 MOI 商用基片式应变传感器 (a)胶粘式 (b)焊接式 (c)温度补偿Guo 等人通过柔性铰链结构设计了一种能够增敏应变的光纤光栅传感器本结构与原理如图 1-6 所示，将 L 段内的应变通过柔性铰链结构集中于 L提高光纤光栅应变监测灵敏度。由实验结果可知其应变灵敏度可以达357pm/με，且具有良好的线性度与重复性，然而其结构复杂，难以进行大批产[44]。粘接剂 光纤光栅 弹性铰链光纤尾纤LFL图 1-6 铰链式应变增敏结构

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本文编号：2748100