直升机旋翼桨叶弯矩与变形分布式光纤智能监测技术研究

发布时间：2020-07-02 07:51

【摘要】：直升机旋转桨叶是直升机发动机功能转换的主要部件,随着研究深入,直升机不断向高转速、高载荷和高可靠性方向发展,这势必对其机械性能的要求大大提高。叶片作为主要承力部件,其结构健康状态与其所受载荷、弯曲变形以及振动等因素密切相关。因此,本文基于分布式光纤传感技术分别对直升机旋翼桨叶结构的弯矩、变形监测方法展开研究,为评估桨叶设计优劣以及机械故障诊断、预测等提供依据。工作主要包括以下几个方面:首先,研究借助有限元方法对桨叶挥舞弯矩、摆振弯矩、桨叶弯曲变形等表征直升机桨叶服役状态的多种参量进行数值仿真,得到不同载荷状态下桨叶结构力学特性,从而为旋转桨叶结构分布式光纤传感网络布局提供依据。其次,研究基于分布式光纤传感器的直升机旋翼桨叶结构弯矩与变形监测方法。根据桨叶结构及承载特性,探索适用于碳纤维复合材料桨叶结构的挥舞摆振弯矩监测与计算方法以及二维变形反演算法,并对其进行反演验证了方法的可行性。再次,构建了直升机旋翼桨叶弯矩与变形分布式光纤动态监测硬件测试系统。基于碳纤维复合材料桨叶、步进电机、光纤滑环设计并制作了旋转桨叶动态监测试验平台;提出了一种面向直升机桨叶结构的表贴型分布式光纤传感网络布局形式及其优化方法。接着,编写了基于图像化软件LabVIEW的直升机桨叶弯矩与变形动态监测软件交互平台。根据系统功能需求完成对桨叶弯矩与变形动态监测软件的框架设计,涉及数据采集、数据处理、数据显示等多个模块,编写系统程序并且完成人机交互界面的设计与优化。最后,开展直升机旋翼桨叶弯矩与变形分布式光纤集成监测系统实验与功能验证。分别实现了直升机旋翼桨叶挥舞弯矩、摆振弯矩、桨叶弯曲变形挠度等多种参量的在线集成监测。在此基础上,给出了弯矩与变形监测反演误差形成机理与评估方法。
【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】：V275.1
【图文】：

以致发生一些重大事故造成无法挽回的伤害。因此，实时获取直升机旋翼桨叶在运行过程中的应变、变形、弯矩等参量变得十分重要。光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、芯径细、柔韧性好、集信号传输与传感于一体、便于分布式组网、低功耗无源、高密度感知、测量参数众多等独特优势，在航空航天结构健康监测领域有着较为广泛的应用。1.1 课题研究背景1.1.1 直升机旋翼桨叶监测研究背景随着航空航天事业的发展，针对大尺度航空航天结构的健康监测研究得到了各国研究者的广泛关注，如空间智能索网结构、大展弦比机翼飞行器、可展式太阳能帆板等[4]。结构健康监测（Structural health monitoring，简称 SHM）是指利用传感器或其他高精度精密仪器直接或间接地对工程结构进行各类材料参数以及几何特征改变的辨识监测，从而对其损伤程度进行评估和分析[5]。为了保证航空航天飞行器在运行过程中的安全，需要对其结构运行状态和安全性能有一个实时精准的评估，再进行及时调整以延长飞行器服役寿命和保障其工作状态。如图 1.1所示，为结构健康监测在叶片类结构中的应用[6]。

直升机旋翼桨叶弯矩与变形分布式光纤智能监测技术研究因此对直升机旋翼桨叶的要求也越来越高。自上世纪 40 年代第一代军用直升机研制成功以来，直升机研发一直是世界各国重点研究领域，在现代国防军事以及民用事业中都有着十分广泛和重要的应用。影响直升机整体性能一个重要因素是其机身在运行过程中所产生的振动，而直升机在运行过程中产生故障的主要源就是由桨叶、桨毂等构成的旋翼系统。旋翼是直升机能否顺利运行的核心传动部件，旋翼能的稳定是直升机飞行安全的可靠保障，因此，需采取在线实时结构健康监测技术对旋翼系的健康状态进行评估，以保证直升机飞行性能的稳定，提高直升机服役寿命。

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本文编号：2737933