基于正交离散FBG网络的柔板结构形态感知与重构研究

发布时间：2018-05-11 15:48

  本文选题：智能柔板结构 + 正交FBG传感网络　； 参考：《上海大学》2015年博士论文

【摘要】：大型板状结构是广泛应用于工业领域特别是航空航天领域的基础部件,例如空间站的太阳能电池板、大展翼飞机的机翼、航天器大型相控阵雷达天线阵面等。上述板状结构在航空航天器在轨运行状态下,一般具有结构材料轻、面积大、刚度低、振动阻尼小、共振频率低和模态密集等特点,且连续工作状态下需要持续保证很高的运行精度,尤其是对保持结构外形有着极为苛刻的技术要求;然而,空间板状结构的上述特性极易导致结构受到空间环境和激励扰动后发生结构形态变化和大幅低频振动,且使得常规的结构形态监测方法难以适应上述技术要求,因此研究并采用一种新的形态实时监测方法对结构可靠性保障和安全性维护至关重要。当前,基于分布式FBG(Fiber Bragg Grating)传感网络的智能表层结构是探索解决上述问题的一个重要研究方向,其基本思路是通过优化布局的FBG传感网络获取结构形态变化信息,然后基于结构形态拟合重构方法实现板状结构的形态实时感知与重构,并通过临场可视化技术实现动态表达和远场监测,因此相关技术方法探索和研究具有重要的科学价值、创新意义和应用前景。本文以国家自然科学基金项目为研究背景,以FBG智能柔性板状结构为研究对象,针对结构形态变化的实时感知与重构技术的主动监测要求,通过构建优化的离散FBG传感网络实现结构形态变化实时感知与可视化重构;在深入开展理论方法研究与实现技术探索的基础上,构建实验结构模型与实验平台,进行相关技术方法的实验分析与验证。所涉及的的理论方法和关键技术主要为:实验结构模型的动力学分析、FBG传感网络配置及优化布局方法;基于模态位移叠加的结构形态空间曲面重构方法,基于正交曲线网的结构形态空间曲面重构方法;结构形态重构效果评价、传感器标定方法、结构形态重构可视化技术;FBG传感网络设计、实验结构模型设计与制作、实验平台构建、监测系统软硬件开发等。主要研究内容可以概括为基于结构形态空间曲面重构方法、FBG传感网络优化布局与设计、重构效果与精度评价方法、实验平台构建及其软硬件开发、实验分析与验证五个部分。论文所做主要研究工作和贡献如下:(1)通过对FBG感知原理分析,获得光栅波长测量数据与结构应变数据的转换关系,实现了结构板面分布式离散正交应变信息的获取;通过研究板状结构离散测点应变与测点曲率的内在关系,实现了结构板面正交曲率信息的获取;通过研究曲率数据插值处理方法,实现结构板面正交两个方向曲率的连续化。基于上述研究内容及相关技术成果,构建了一套面向板状结构分布式离散应变和曲率数据的信息采集与处理系统。(2)研究了基于模态位移叠加的结构形态空间曲面重构算法,着重研究板状结构应变位移变换矩阵的求解方法;研究了基于正交曲线网的结构形态空间曲面重构算法,着重研究基于正交曲线网和运动坐标系的几何递推方法。分别针对上述两种板状结构形态重构方法及其算法进行仿真分析与验证,从算法运算效率、结构形态静态变化重构效果、结构形态动态变化重构效果进行定量分析,验证了板状结构形态重构算法的可行性和有效性,为板状结构形态重构技术实现与实验验证提供了理论方法依据。(3)针对所构建实验结构模型进行动力学分析,同时研究基于FBG感知原理的传感器数量配置方法,并结合结构形态空间曲面重构算法的特点,探索并确立了传感网络优化布局准则和约束条件,进而确定了FBG传感网络优化布局的目标函数;研究了粒子群优化算法的基本原理和技术实现方法,探索针对传感器配置数目、位置等方面的多目标优化技术方法,为FBG传感网络设计和制作奠定了基础。(4)研究了结构形态重构算法的重构效果静态特性数据分析方法,着重研究基于均方差的综合误差评价方法和单点重构精度计算方法;研究了结构形态重构算法的重构效果动态特性,着重研究基于LMS算法的动态精度评价方法,通过构建FIR滤波器模型和求解通道模型参数,获得了重构信号在幅度衰减、相位延迟和噪声掺杂三个方面的特性参数,实验结果表明相关方法具有精确的评价效果。(5)研究了FBG传感器封装与标定技术,实现了分布式FBG传感网络设计;设计和制作了实验结构模型,研制了高精度自动测量系统,开发了柔板结构形态实时重构可视化软件系统。通过上述软硬件设计开发和仪器设备集成,实现了高精度、高性能的实验平台构建,为所探索研究的相关理论方法实验验证提供了技术支撑。(6)针对所探索研究的相关理论方法和技术手段进行实验验证和分析工作。实验结果表明,基于正交离散FBG传感网络的柔性板状结构形态感知与重构方法切实可行,可精确实现结构静态形态变化和低频振动形态变化的实时感知与重构,且结构形态重构可视化效果生动逼真,达到了预期的研究目标。
[Abstract]:In this paper , a new method of real - time sensing and reconstruction based on distributed FBG sensor network is proposed , which is based on the research of structure form spatial surface reconstruction method , the design of FBG sensing network , the design of structure form , the construction of experimental platform , the design of experimental platform , the development of software and hardware , the experiment analysis and verification . ( 1 ) Based on the analysis of FBG sensing principle , the relationship between the measurement data of grating wavelength and the structure strain data is obtained . The method for reconstructing the shape of plate - like structure is studied . ( 5 ) The packaging and calibration technology of FBG sensor is studied , the design of the distributed FBG sensing network is realized , the experimental structure model is designed and fabricated , and the real - time reconstruction visualization software system of the flexible board structure is developed . The experimental results show that the real - time sensing and reconstruction of the structure static state change and the low - frequency vibration shape change can be accurately realized by the software and hardware design development and the instrument and equipment integration .

【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214
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本文编号：1874581