基于光纤传感器的柔性充气结构健康监测技术研究

发布时间：2020-04-07 18:15

【摘要】：近年来,新型柔性充气结构在航空航天领域应用越来越多,如大面积天线、高功率太阳能帆板、柔性气囊、大型空间居住舱等。针对此类结构服役状态的智能辨识,对于新型航空航天结构设计与高轨深空探测研究具有重要意义。为此,本文主要针对柔性充气结构健康监测需求,提出基于光纤传感器的结构健康监测技术,实现对典型柔性充气结构的冲击、损伤以及变形状态实时监测,提升结构服役期间的安全性和可靠性。本文主要研究内容包含以下几个方面:首先,针对210D双面涂覆牛津布和芳纶纤维布,提出基于FBG(Fiber Bragg grating)传感器的应变监测方法。研究了FBG传感器与柔性材料集成方式,并与基于电阻式应变片的应变监测方法对比,分析了基于FBG传感器的应变监测方法的优势,为后续研究提供技术基础。其次,以210D双面涂覆牛津布四边固支蒙皮充气结构为研究对象,通过构建静态加载和冲击加载实验,研究了不同内部气压下柔性充气结构FBG传感器的静载应变响应特性,并对FBG传感器冲击响应信号进行分析,为柔性充气结构冲击载荷定位方法提供理论基础。再次,针对柔性充气结构冲击载荷监测需求,研究了两种冲击载荷定位方法。第一种方法基于FBG传感网络系统,选取冲击响应信号幅值能量作为特征量,提出了基于边界数学函数模型和反函数求解的冲击定位方法。第二种方法利用光纤Sagnac干涉传感系统,研究了基于时差原理的冲击载荷定位方法。然后,针对大型空间充气结构特点,根据结构承载状态下局部损伤区域应变突变原理,提出基于光纤传感器的裂纹损伤监测方法,实现了裂纹损伤区域定位以及裂纹损伤长度识别。最后,以柔性缓冲气囊为研究对象,通过ANSYS有限元仿真分析,首先研究了缓冲气囊内部气压监测方法,建立了气囊内部气压与囊体表面应变对应关系;其次通过获取囊体表面关键区域离散点变形与气囊内部气压对应关系,提出基于三次B样条插值的柔性缓冲气囊关键区域变形监测方法。
【图文】：

结构失效,飞行器,事故,航空航天

1.1.1 基于光纤传感器的航空航天结构健康监测研究背景结构健康监测技术在 80 年代首次被提出应用于航空航天结构中，并迅速成为航空航天领域热门研究课题[1]。结构健康监测（Structural Health Monitoring 简称 SHM）是指通过传感网络(光纤、压电器件等)实时采集和分析反映结构健康状态的物理量，，如温度、位移、加速度、传播特性和振动模态等[2]。获取这些信息之后，采用先进信号处理方法对信息进行处理，可以提取反应结构状态的特征参数，从而达到对结构的健康状态、运行状态、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估的目的，起到控制或消除结构损伤早期安全隐患进一步发展的作用。以此来实现结构工作状态实时监测，确保结构能够安全使用，降低维修成本[3-5]。随着航空航天事业的不断发展，航空航天结构越来越复杂，造价成本、发射成本越来越高。而航空航天结构在服役过程中所处的环境往往是高压、真空、强辐射、超低温和强磁场等恶劣环境，在服役过程中经常会遇到空间碎片、小流星撞击等情况[6]。这些因素都会造成航空航天结构强度降低、寿命减少甚至结构失效。航空航天结构失效造成的事故如图 1. 1 所示。因此实时对航空航天结构服役过程中的安全性、可靠性以及稳定性进行监测并对结构健康状态进行评估是非常有意义的。

充气式,反射面天线,空间站

图 1. 2 充气式空间站和充气式反射面天线随着航空航天事业的不断发展，大型复杂航天器结构越来越受青睐。因此柔性充气结构在航天器结构中所在份额越来越大。由于多种类型复杂恶劣环境因素的影响，如极端交变温度载荷、太阳、深空环境较强高能粒子辐射以及空间碎片和微流星撞击等[17]，柔性充气结构可能会出现开裂、通孔、基体挤压、纤维断裂、分层失效及薄膜褶皱等损伤。这些损伤如果不能被检测出来并及时的进行修补，在结构服役过程中，损伤将不断积累，从而导致结构承载能力下降，进而影响了充气结构的机械强度与长期服役安全，这势必造成非常大的经济损失，甚至出现人员伤亡等灾难性的后果。因此必须对柔性充气结构存在的诸如表面裂纹、内埋缺陷、受冲击载荷撞击位置及高应力集中区域等具有潜在危险性部位进行实时状态监测，及时掌握结构在荷载和外部因素作用下产生的变化，给出结构状态信息[18]。1.2 国内外研究现状1.2.1 基于光纤传感器的结构健康监测技术研究现状自 20 世纪 70 年代以来，光纤传感技术开始在全世界范围内引起重视。随着光纤传感技术
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V267;V467;TP212

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