基于FBG光谱分析的变体机翼柔性蒙皮损伤监测技术研究

摘要

本文以变体机翼飞行器为研究对象,以变体机翼飞行器结构健康监测的新需求为出发点,结合光纤布拉格光栅传感器、先进复合材料结构、结构健康监测原理展开研究,提出利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器应变传感原理和非均匀反射谱变化特性进行损伤监测与主动变形监测的方法。
　　主要研究内容如下:
　　(1)光纤布拉格光栅非均匀反射谱重构算法研究方面:
　　在经典龙格-库塔算法和传输矩阵算法的基础上,将梯度因子引入传输矩阵算法中,获得了一种迭代速率高且跟踪应变场变化更为精准的改进传输矩阵算法。验证试验表明:改进传输矩阵算法迭代速率(提高4倍以上)和重构准确性有了明显提高。
　　(2)变体机翼柔性蒙皮损伤监测研究方面:
　　研究了复合材料波纹形柔性蒙皮在拉伸载荷下铺层损伤失效过程;进行有限元分析,预测了铺层失效次序和临界失效载荷;利用改进传输矩阵算法对预测失效铺层的临界失效光谱进行重构;提出以光纤布拉格光栅传感器非均匀反射谱反射峰变化监测复合材料波纹形柔性蒙皮渐进损伤的方法。静态拉伸实验结果表明:有限元分析铺层失效次序、对应临界光谱均与实验研究结果基本一致,临界失效载荷最大误差为8.6％。
　　研究了复合材料蒙皮-蜂窝芯结构拉伸载荷下的力学特性和失效过程;提出利用 FBG传感器非均匀反射谱反射峰规律性变化模式监测复合材料蜂窝芯结构失效过程的方法。实验研究表明:复合材料蜂窝芯结构失效过程中存在着FBG反射谱规律性的变化,结合有限元分析和拉伸特性曲线,光谱变化规律可有效描述复合材料蜂窝芯结构失效过程。
　　(3)复合材料柔性曲面变形监测与曲面重构研究方面:
　　以FBG应变传感原理为基础,建立各传感器封装位置实时曲率变化与中心波长的对应关系;采用一种非视觉传感方法实时动态监测复合材料柔性蜂窝芯曲面结构的变形位置。验证试验表明:重构曲面与实验视觉记录结果吻合且监测系统响应迅速。
　　本文在FBG非均匀反射谱重构算法改进,光谱分析应用方面的探索,将FBG非均匀反射谱特性变化与复合材料结构损伤建立对应关系,为FBG传感器在新型复合材料蒙皮结构损伤监测研究提供了参考依据和研究基础;通过FBG应变传感原理建立曲面曲率与传感器中心波长的函数关系,为柔性曲面变形监测提供新的思路同时拓宽FBG传感器的应用范围。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 变体机翼结构损伤的智能监测技术

1.3 光纤传感技术及研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 光纤布拉格光栅光谱重构技术及验证

2.1 光纤布拉格光栅传感基础理论

2.2 光纤布拉格光栅耦合模理论

2.3 光纤布拉格光栅反射谱重构技术

2.4 改进传输矩阵法的实验验证

2.5 本章小结

第三章 基于FBG非均匀反射谱的复合材料波纹形柔性蒙皮渐进损伤监测技术

3.1 复合材料波纹形柔性蒙皮

3.2 纤维增强型复合材料力学分析

3.3 复合材料波纹形柔性蒙皮失效分析与模拟

3.4 复合材料波纹形柔性蒙皮实验研究

3.5 本章小结

第四章 基于FBG非均匀反射谱的复合材料蒙皮－蜂窝芯结构失效研究

4.1 蜂窝芯结构基本力学特性分析

4.2 复合材料蜂窝芯结构建模与仿真分析

4.3 实验研究

4.4 本章小结

第五章 基于FBG应变传感原理的柔性蜂窝芯变形监测与曲面重构

5.1 基于FBG传感器的曲面变形检测原理

5.2 曲面重构算法

5.3 实验研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文