光纤传感技术在复合材料蜂窝结构冲击定位中的应用研究

摘要

复合材料蜂窝结构是一种特殊的结构，它由上、下两层薄的面板和中间的蜂窝芯子通过粘胶胶接而形成的。复合材料蜂窝结构在使用及维护过程中容易发生低速/高速冲击导致的损伤，低速冲击导致的损伤难以察觉且危害巨大。复合材料蜂窝结构的冲击监测问题关系到航空航天结构的正常使用与维护，有必要进行相关的监测研究。本文利用光纤传感技术对复合材料蜂窝结构进行冲击定位应用研究。具体研究内容如下：
　　首先，设计了一种基于镍钛合金压杆弯曲应变的光纤光栅可调谐线性啁啾化方法。通过材料力学计算应变和压杆位移的关系，并用有限元仿真验证。将龙格库塔法和传输矩阵法结合，仿真得到啁啾化光栅的反射谱。通过实验研究，得到压杆位移与啁啾化光栅带宽、中心位移偏移间的关系。实验结果表明此种啁啾化光纤光栅传感器具备一定的应用前景。
　　其次利用有限元分析软件ABAQUS建立了一个带装配孔的复合材料蜂窝结构有限元模型，针对该模型进行了模态分析，分别求出了一至四阶的模态频率；并建立了钢质半球冲头模型，针对三种不同的工况进行了冲击应力分析，分别求出了在不同工况下，上下层面板典型铺层、蜂窝芯子等应力响应情况，为后续的冲击定位实验和算法研究奠定基础。
　　接着针对研究所用带装配孔的碳纤维增强复合材料铝蜂窝夹层板，设计了基于光纤布拉格光栅传感器的冲击监测实验系统。利用10支光纤布拉格光栅传感器记录摆锤在不同角度下冲击的响应情况，对得到的冲击响应信号进行了时域和频域的初步分析，将装配孔视为蜂窝板的损伤，针对冲击响应信号做损伤分析。
　　最后设计了基于稀疏表示的冲击定位算法。利用实验冲击的时域信号建立过完备字典，设计测量向量，通过正交匹配追踪法和质心算法求出了网格顶点和非网格顶点的冲击定位精度。实验结果证明此种冲击定位方法具有一定工程应用价值。

目录

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 光纤传感器在结构健康监测中应用概述

1.3 复合材料冲击定位研究现状

1.4 本文结构与内容

第二章 光纤光栅理论与传感机理

2.1 光纤光栅的类型

2.2 光纤布拉格光栅基本理论

2.3 均匀正弦型光纤布拉格光栅的耦合模分析

2.4 光纤布拉格光栅传感机理

2.5 光纤光栅啁啾化原理

2.6 本章小结

第三章 FBG可调谐线性啁啾化的设计与实现

3.1 可调谐压杆结构设计

3.2 啁啾光栅光谱重构算法设计

3.3 线性调谐传感器设计实验

3.4 线性调谐传感器性能分析

3.5 本章小结

第四章 复合材料蜂窝结构冲击有限元仿真

4.1 有限元分析方法

4.2 有限元模型建立

4.3 复合材料蜂窝结构模态分析

4.4 低速冲击仿真

4.5 本章小结

第五章 复合材料蜂窝结构冲击监测

5.1 复合材料蜂窝结构冲击监测实验系统构建

5.2 冲击响应信号时频域分析

5.3 冲击响应信号能量分析

5.4 损伤特性

5.5 本章小结

第六章 复合材料蜂窝结构冲击定位

6.1 稀疏表示原理

6.2 定位算法

6.3 过完备字典建立

6.4 测量向量设计

6.5 定位结果

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 未来研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文